//
Physik im Alltag und Naturphänomene

Hat sich die Luft zu weit ausgedehnt?

trockeneis_img_4761_rv»Die Luft hat sich zu weit ausgedehnt, darum wird sie nie ein Saphir.«

Friedrich Hebbel (1813 – 1863)

Hebbel konnte noch nicht wissen, dass auch „weit ausgedehnte“ Gase wie die Luft zum „Saphir“, also zu einem Kristall werden können. Heute stellt es kein Problem dar, mit naturwissenschaftlich-technischen Mitteln Luft nicht nur zu verflüssigen, sondern auch zu verfestigen. Da die Luft aus einer Mischung verschiedener Gase besteht, scheiden sich die Gase mit dem jeweils niedrigsten Siedepunkt resp. Schmelzpunkt als erste ab. Kohlenstoffdioxid (CO2) liegt bei Normaldruck unterhalb einer Temperatur von – 78,48 °C als feste Substanz vor, die rein äußerlich dem Wassereis ähnelt. Dieses sogenannte Trockeneis geht bei Umgebungstemperatur und normalem Luftdruck direkt in CO2 – Gas über, überspringt also das Zwischenstadium der Flüssigkeit.
Man sagt auch es sublimiert. Wenn nun Bruchstücke aus Trockeneis auf Wasser treffen, gehen die größeren von ihnen wegen ihrer im Vergleich zu Wasser größeren Dichte erst einmal unter, machen aber mit einer im Wasser aufsteigenden, durch die Sublimation genährten Gasfahne weiter auf sich aufmerksam.
Haben die Bruchstücke genügend Substanz verloren, steigen sie an die Oberfläche, wo sich bereits die gar nicht erst versunkenen kleineren Krümel tummeln. Ihre geringere mittlere Dichte verdanken diese, ähnlich den Rosinen im Mineralwasser anhaftenden CO2 – Gasbläschen. Aber auch der Rückstoß nach unten abgehender Gasströme kann zu einem Aufstieg führen. Weil kleine Teilchen eine im Verhältnis zum Volumen größere Oberfläche haben als größere Teilchen (Flächen-Volumen-Relation), passiert dies aber erst bei genügend kleinen Krümeln.
Im Kontaktbereich zwischen Wasseroberfläche und Trockeneis strömt das Gas nun in wirkungsvollen Jets aus; mit Vorliebe aus exponierten Stellen in der stark zerklüfteten Oberfläche des Eises, an denen die Wärmeaufnahme aus dem Wasser besser funktioniert (abermals die Flächen-Volumen-Relation!) als anderswo. Optisch wahrnehmbar wird das Geschehen aber erst, weil Wasserdampf aus der Luft unmittelbar über der Wasseroberfläche durch das Gas abgekühlt wird und kondensiert: Entlang der unsichtbaren Gasströme bilden sich infolgedessen Kondensstreifen aus kleinen Wassertröpfchen. Daran wird das Licht gestreut, wodurch die Strömungen indirekt sichtbar werden.
Jetzt gerät der Schauplatz richtig in Schwung. Je nach der Morphologie der Trockeneisbrösel führen die Jets bei »zentralem« Ausstoß des Gases zu einer mehr oder weniger schnellen Translationsbewegung; exzentrischer Ausstoß hingegen lässt ein Drehmoment entstehen, wodurch die Teilchen auf der Stelle rotieren; ihr Aussehen erinnert zuweilen rein optisch an Spiralgalaxien. Am interessantesten sind natürlich komplexe Kombinationen beider Bewegungstypen. Da die sublimierenden Trockeneisbrösel ständig an Substanz verlieren, ändert sich ihre Form und Bewegung in unvorhersehbarer Weise.
Prallen verschiedene Jets aufeinander oder gleiten aneinander ab, bilden sich obendrein charakteristische Grenzlinien zwischen den im Nebel verlaufenden Aktivitätsbereichen des sublimierenden Eises. Dann ist auch unser ästhetisches Bedürfnis befriedigt: Aus ihnen modelliert das an den Tröpfchen gestreute Licht eine höchst ansprechende Struktur, in der die Dynamik des zerfallenden Trockeneises wie eingebettet erscheint.

Video zum Beitrag

 

Advertisements

Diskussionen

2 Gedanken zu “Hat sich die Luft zu weit ausgedehnt?

  1. Nicht jeder hat die Gelegenheit, mit Trockeneis zu spielen. Umso interessanter finde ich deinen Beitrag.
    Edgar

    Verfasst von seescho | 21. Januar 2017, 17:08

Kommentar verfassen

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden / Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden / Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden / Ändern )

Google+ Foto

Du kommentierst mit Deinem Google+-Konto. Abmelden / Ändern )

Verbinde mit %s

%d Bloggern gefällt das: