Laut der Thermodynamik gilt im Normalfall für Stoffe: Je wärmer ein Stoff, desto weiter dehnt er sich aus. Das Volumen steigt also mit zunehmender Temperatur.

Für Wasser gilt dies jedoch nicht. Bei Wasser gibt es zwei Ausnahmen:

Das Volumen von Wasser nimmt bei steigender Temperatur von 0 °C bis 4 °C zunächst ab, um erst anschließend zuzunehmen. Darum hat Wasser bei 4°C das geringste Volumen.
Außerdem ergibt sich am Übergang von flüssig nach fest eine sprunghafte Volumenausdehung des Wassers.

Das Diagramm zeigt den Verlauf des Volumens von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur. Zum Vergleich ist die lineare Ausdehnungskurve von Hg (Quecksilber), stellvertretend für alle anderen Stoffe, gezeichnet.

Zu sehen ist ein Diagramm. Auf der x-Achse ist die Temperatur abgetragen, auf der y-Achse das Volumen. Bei Wasser sieht man, dass das Volumen bis 0°C ansteigt, aber dann sprunghaft detlich abnimmt und im folgenden bis 4°C weiter abnimmt. Ab da steigt das Volumen mit zunehmender Temperatur weiter an. Als Vergleichswert ist außerdem ein linearer Anstieg von Hg stellvertretend für Stoffe ohne Anomalie gezeichnet.

Im Diagramm siehst du sehr gut den Unterschied zwischen Wasser und anderen Stoffen.

Dichteanomalie

Mit dem Volumen kann man die Dichte berechnen.

Für die Dichte gilt:

\rho = \frac{m}{V}

\rho = \frac{m}{V}

Somit verhält sich also die Dichte genau umgekehrt zum Volumen. Somit ergibt sich folgendes Dichtediagramm. Zum Vergleich ist wieder die Dichte für Quecksilber aufgetragen.

Zu sehen ist das Dichte-anomaliediagramm. Dabei ist dargestellt, dass Wasser die größte Dichte für 4°C hat. Für höhere Temperaturen nimmt die Dichte immer weiter ab. Außerdem nimmt sie auch bis 0°C ab. Bei 0°C kommt es schließlich zu einer sprunhaften starken Abnahme der Dichte. Ab hier nimmt die Dichte für kleiner werdende Temperaturen wieder gering zu, erreicht aber nie den Wert von 4°C.

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Beispiele

Dichte

Bei welcher Temperatur hat Wasser die größte Dichte und das kleinste Volumen?

Lösung

Aufgrund der Anomalie des Wassers hat Wasser bei 4°C die größte Dichte und das kleinste Volumen.

See

Warum verdanken Fische der Dichteanomalie des Wassers ihr Leben?

Lösung

Da Wasser bei 4°C immer die größte Dichte hat, sinkt das Wasser mit dieser Temperatur immer nach unten. Wenn das Wasser im Sommer insgesamt wärmer wird, lagern sich nach oben die wärmeren Schichten.

Im Winter ist das Wasser kälter. Da aber auch die Dichte von sehr kaltem Wasser geringer ist, als die Dichte von 4°C warmen Wasser, lagern sich nach oben die kälteren Schichten. Da die Fische nur überleben, wenn das Wasser nicht gefriert, schwimmen sie im Winter weiter nach unten, da sich hier das Wasser mit 4°C ansammelt. Somit überleben die Fische. Im Bild siehst du nochmal die Wasserschichten.

Das Bild ist zweigeteilt. Auf der linken Seite ist das Wasser schichtweiße vom Boden von 4°C aufsteigend. Das entspricht der Seetemperatur im Sommer. Auf der anderen Seite ist das Wasser nach oben Schichtweise von 4°C absteigend.

Gefrierfach

Warum platzt eine Wasserflasche oft, wenn man sie in das Gefrierfach legt?

Lösung

Wasser dehnt sich am Gefrierpunkt sprunghaft aus. Das kannst du oben im Diagramm des Volumens an der y-Achse sehen. Das bedeutet, dass das Volumen beim Übergang von flüssig nach fest stark zunimmt. Folglich hat das Eis in der Flasche viel mehr Volumen, als das Wasser und bringt die Flasche zum Platzen.

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Anomalie des Wassers