Dichte von Wasser
Dichte von Wasser im Dornbach-Baulexikon.
Wasser, die Basis allen irdischen Lebens:
Ohne die grundlegenden Eigenschaften, auch der Dichte, von geschmacks- und geruchsneutralem Wasser, ist kein Leben auf unserem Planeten vorstellbar.
Diese Besonderheiten werden durch die elektrischen Kräfte sowie die Wechselwirkung der in 3D-Weise als Wasserstoffbrücken verketteten Moleküle bestimmt. Aufgrund der Anziehung der Wassermoleküle entsteht beispielsweise die relativ hohe Oberflächenspannung von Wasser. Deshalb sind die spektakulären Bewegungen eines Wasserläufers auf der Oberfläche von Wasser überhaupt möglich.
Andere Eigenschaften, u.a. die Dichte von Wasser sowie Brechungsbesonderheiten von Licht in Wasser, wird ebenfalls durch das Verhalten der Moleküle im Wasser bestimmt.
Wasser ist nicht gleich Wasser:
Auch wenn unser Trinkwasser als ein besonders sauberes Wasser gilt, immer enthält es weitere gelöste Schwebeelemente. Dies sind neben Mineralien auch Gase. Selbst entmineralisiertes Wasser fasst geringe Mengen gelöster Gase aufgrund des Kontakts von Wasser und Luft auf der Erde. Dies ist natürlich in allen Gewässern der Natur der Fall, jedoch in unterschiedlicher Konzentration.
In unserer natürlichen Umgebung existiert kein reines Wasser. Daher ist auch die Dichte und das Gewicht von Brauch- oder Meereswasser modifiziert.
Bezug veränderter Aggregatzustände zu den Eigenschaften von Wasser:
Wasser kann in den bekannten drei Aggregatzuständen - Gas, Flüssigkeit oder Feststoff – vorliegen. Es befindet sich in nennenswertem Umfang innerhalb der Atmosphäre, im Bereich der Erdkruste sowie in den von Ozeanen überspülten Bereichen der Erde.
Den Wandel von flüssigem, gasförmigen und festen Aggregatzustand zeigen verschiedene Messwerte zur Dichte von Wasser. Bei normalen Verhältnissen begegnet uns Wasser als flüssiges Medium. Fällt die Temperatur unter den Gefrierpunkt von Null Grad Celsius, dann bildet sich aus dem Fluid ein fester Stoff, das Eis. Erhitzt man Wasser auf den Siedepunkt, d.h. über einhundert Grad Celsius, wandelt sich die Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand und die Dichte von Wasser nimmt deutlich ab. Wird Wasserdampf zur Flüssigkeit, nehmen Dichte und Gewicht des Wassers zu.
Einflussfaktoren auf die Dichte von Wasser:
Die Dichte von Wasser wird, ebenso wie bei allen anderen Stoffen auf unserem Planeten, vom Druck und der Temperatur verändert. So treten bei modifizierten Temperaturen jeweils andere Messwerte zur Kompressionsfähigkeit sowie Viskosität - der Zähigkeit - von Wasser auf.
Im Wasser gelöste Stoffe führen ebenfalls zur Variation der Dichte von Wasser. Dies belegen Messungen mit einem Aräometer. Die Schwebstoffe und Gase im Wasser bedingen gleichermassen zur Veränderung der Schmelz- und Siedetemperatur des Wassers.
Ursache dieser Abweichungen von der Norm ist der Umfang der Einlagerung der gelösten Stoffe zwischen den Wassermolekülen. Dadurch kommt es zu einer Erhöhung oder Verringerung der Wasserdichte.
Temperatur im Verhältnis zur Dichte von Wasser:
Die Dichte von Wasser beträgt ein Kilogramm je Liter. Historische Basis für diese Fixierung ist die Einheit Grave, welche die Masse eines Wasserliters bei einer Temperatur von Null Grad Celsius definiert.
Die Dichte von Wasser wandelt sich mit Veränderungen der auf das Wasser einwirkenden Temperatur. Einige Beispiele seien genannt. Bei Normaldruck und einer Temperatur von Null Grad Celsius beträgt die Dichte von noch nicht vereistem Wasser 999,84 kg/m³. Liegt eine Temperatur von 25 Grad Celsius vor, sinkt dieser Wert auf 997,04 kg/m³. Fünfzig Grad warmes Wasser weist eine Dichte von 988,03 kg/m³ auf. Bei Wasser, welches in flüssigem Zustand vor dem Sieden steht, beträgt dieser Wert 958,35 kg/m³.
Informationen zur Anomalie der Dichte von Wasser:
Typisch für die meisten Stoffe auf der Erde ist eine Abnahme der Dichte mit dem Wachstum der Temperatur. Festkörper sind allgemein schwerer als Fluide und Gase wiederum flüchtiger als Flüssigkeiten.
Im Gegensatz zu anderen Stoffen weist das Wasser auf unserer Erde jedoch kein konstantes Verhältnis zwischen Dichte und Temperatur auf. Dieses Phänomen ist als Dichteanomalie von Wasser bekannt.
Die Dichteanomalie von Wasser wird deutlich, wenn man bedenkt, dass die grösste Dichte von Wasser bei einer Temperatur von 3,98 Grad Celsius auftritt. Interessanterweise verringert sich die Dichte von Wasser mit weiter abnehmender Temperatur. Sogar im gefrorenen Zustand als Eis besitzt Wasser eine geringere Dichte als bei knapp vier Grad Celsius.
Ursache der Dichteanomalie:
Der Grund für die Dichteanomalie von Wasser liegt in den elektrostatischen Kräften, welche zwischen den Atomen von Sauerstoff und Wasserstoff, d.h. den das Wasser konstituierenden Elementen, herrschen. Geht Wasser in einen gefrorenen Zustand über, wobei sich theoretisch die Dichte von Wasser vergrössern sollte, geschieht dies nicht.
Ursache dafür ist, dass die Wassermoleküle im Eis ein Kristallgitter bilden. Hierin stossen sich die Wasserstoffatome auf elektrostatischem Wege untereinander ab. Sie gehen hingegen Verbindung mit den Sauerstoffatomen ein. Dies verhindert eine geordnete, d.h. dicht geschichtete, Atomverbindung des gefrorenen Wassers. Somit stellt sich die Dichte von Eis im Vergleich zur Dichte von flüssigem Wasser innerhalb spezifischer Temperaturbereiche tatsächlich geringer dar.
Zur Dichte-Druck-Relation von Wasser:
Wechselnder Druck hat einen geringeren Einfluss auf die Dichte von Wasser als die Temperatur. Sofern der Druck um ein bar wächst, erhöht sich die Dichte von Wasser lediglich um 0,046 kg/m³. Diese Messwerte gelten im begrenzten Druckbereich bis zu fünfzig bar. Unter Normaldruck und einer Temperatur von vier Grad Celsius beträgt das Kompressionsmodul von Wasser rund zwei Gpa.
Ein tausendfach stärkerer Druck, welcher in einer Tiefe von zehn Kilometern herrscht, führt lediglich dazu, dass Wasser um fünf Prozent komprimiert ist. Damit wird deutlich, bei normalen Veränderungen des Luftdrucks im Zuge der irdischen Witterungserscheinungen sind keine nennenswerten Veränderungen der Dichte von Wasser feststellbar.
Über die Dichte von Wasserdampf:
Das Gesetz zur Volumenberechnung für ideales Gas ist ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung der Dichte von Wasserdampf bei Vorliegen einer spezifischen Temperatur. So definiert sich das Volumen des idealen Gases als Multiplikationsergebnis von Stoffmenge des Gases, universeller Gaskonstante sowie absoluter Temperatur bei Normaldruck.
Danach hat Wasserdampf bei einem Druck von einem bar und einer Temperatur von einhundertfünfzig Grad Celsius eine Dichte von 0,515 kg/m³. Bei zweihundert Grad Celsius besitzt Wasserdampf eine Dichte von 0,460 kg/m³ und bei zweihundertfünfzig Grad Celsius beträgt dieser Wert 0,416 kg/m³.
Messverfahren zur Ermittlung der Dichte einer Flüssigkeit:
Die Bestimmung der Dichte einer Flüssigkeit durch Bezug auf die bekannte Dichte von Wasser lässt sich u.a. durch Wägung feststellen. Dazu benötigt man ein Gefäss, eine Waage sowie die genaue Information zur Temperatur. Das Gewicht des Behältnisses wird festgestellt und das mit Wasser befüllte Gefäss erhält einen Eichstrich.
Anschliessend lässt man das Behältnis, das Wasser sowie die zu messende Flüssigkeit einige Zeit stehen. Dadurch gleichen sich die Temperaturen der Gegenstände und Flüssigkeiten an und erreichen denselben Wert.
Nun stellt man das Gewicht von Wasser und der weiteren Flüssigkeit fest. Man wiegt jeweils das bis zum Eichstrich mit Wasser und danach mit der Flüssigkeit, dessen Dichte interessiert, befüllte Behältnis. Von den gemessenen Werten muss jeweils das Leergewicht des Gefässes subtrahiert werden. Die gesuchte Dichte ergibt sich aus den Faktoren Gewicht der Flüssigkeit ohne Behältnis, Gewicht von Wasser ohne Gefäss sowie Dichte von Wassers bei entsprechender Messtemperatur.
