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Energie und Entropie

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Bildschöne Schmelzwassertümpel im Nordpolarmeer

Beim Flug über das arktische Meereis war ich beeindruckt von der Schönheit der Strukturen im Eis. Was aus dem Flugzeugfenster wie kleine blaue bis zuweilen auch schwarze Tierchen mit langem Ringelschwanz aussah (linkes Foto), waren Süßwassertümpel (rechtes Foto), die in den Sommermonaten durch das Sonnenlicht in die Eisschicht hineingeschmolzen werden. Da die Eisschollen weitgehend aus Süßwasser bestehen, enthalten diese Tümpel ebenfalls Süßwasser.
Doch die Schönheit dieser Seen ist trügerisch. Zwar gibt es diese Tümpel schon lange, aber im Zuge der Klimaerwärmung nimmt ihre Zahl zu und das ist fatal. Denn diese azurblauen bis schwarzen Seen absorbieren mehr Sonnenenergie als die wasserfreien oft schneebedeckten Flächen, die das Licht hauptsächlich reflektieren. Damit wird aber das Abschmelzen des Eises beschleunigt.
Ein wesentlicher Grund für die Zunahme der Tümpel liegt nach Untersuchungen des Alfred-Wegener-Instituts darin, dass nicht nur die Polareisflächen abnehmen, sondern die Eisschichten jünger und dünner sind. Junges Eis ist glatter als das ältere, das durch Schollenbewegungen und Zusammenstöße rau und zerklüftet ist. Und da sich das Schmelzwasser auf der glatten Oberfläche besser verteilen kann, bilden sich Netze aus vielen Tümpeln.

Zuneigung auf dem Wasser

Man kann es nicht übersehen, die beiden Heftzwecken zeigen eine deutliche Zuneigung zueinander und das in einer äußerst ungewöhnlichen Situation. Denn sie hocken beide auf dem Wasser und das in einer Mulde.
Ist das nicht merkwürdig? Die Heftzwecken bestehen aus Eisenblech. Eisen hat eine größere Dichte als Wasser und müsste untergehen. Außerdem hat Wasser schwerkraftsbedingt eine ebene, glatte Oberfläche – zumindest, wenn kein Wind weht. Hier aber ist es durch die schweren Heftzwecken deutlich eingedellt.
Noch kurioser wird es, wenn wir in nicht allzu großer Entfernung von der einsamen Zwecke eine Zweite zu Wasser lassen. Die Zwecken bewegen sich aufeinander zu mitsamt ihrer Delle und vereinigen sich, wie man es auf dem Foto sieht – mit offensichtlicher Zuneigung. Das traute Glück lässt sich jedoch leicht stören. Ein paar Tropfen Spüli und ab gehts auf den Grund des Gewässers.

Darüber kann man sich freuen und vielleicht auch wundern. Aber man kann auch versuchen es zu verstehen, indem man den Zwecken zunächst einmal jegliche Art eigener Entscheidungen abspricht und damit physikalisch wird. Bei der Beschreibung haben wir nämlich eines außer Acht gelassen. Die Wasseroberfläche wird nicht nur durch die Schwerkraft bestimmt, sondern auch durch die Oberflächenspannung. Diese äußert sich anschaulich gesprochen darin, dass Wasser so etwas wie ein feines Häutchen hat. Das spielt zwar im großen und ganzen kaum eine Rolle, aber wenn man in kleinerer Dimension von Heftzweckgröße wandelt, macht sich das Häutchen deutlich bemerkbar.
Um eine Heftzwecke auf dem Wasser zu platzieren, muss man es ganz vorsichtig am Dorn fassend auf dem Wasser platzieren. Dann geht es seiner größeren Dichte entsprechend ein wenig unter aber ohne die Oberfläche zu durchstoßen. Denn durch die Eindellung des Wassers wird die Wasseroberfläche vergrößert. Dazu ist aber Oberflächenenergie nötig. Da die Natur unter den gegebenen Bedingungen geneigt ist, soviel wie möglich Energie an die Umgebung abzugeben und daher in diesem Fall die Oberflächenenergie so klein wie möglich zu halten, wird eine rückwirkende Oberflächenkraft aktiviert, die die Schwerkraft der Zwecke ausgleicht. Das geht natürlich nur in einem ganz engen Rahmen. Ein Eurostück würde man so nicht zum „schwimmen“ bringen.
Die zweite Heftzwecke verhält sich wie die erste. Auch sie dellt die Wasseroberfläche gegen die Minimierungstendenz der Oberflächenenergie ein. Sobald die beiden Dellen sich nahe genug kommen, bewegen sie sich aufeinander zu und formen eine gemeinsame Delle. Die Dehnung der Wasseroberfläche durch diese Summendelle ist kleiner als die beiden einzelnen. Auf diese Weise kann Oberflächenenergie gespart, d.h. an die Umgebung abgegeben werden. Und genau das passiert hier.
Wenn man die Oberflächenspannung durch ein paar Tropfen Spülmittel vermindert, reicht die rückwirkende Kraft nicht mehr aus. Also das Phänomen ist in der Tat merkwürdig, aber nur im ursprünglichen Wortsinn – würdig gemerkt zu weren.

Es sind nur Tropfen…

Um die Schönheit solcher Tropfen genießen zu können, muss man sich auf das Niveau der Grashalme herablassen. Weil die Kamera oder das Auge den Tropfen in den Fokus nimmt, verschwimmt die Welt dahinter in einem Einerlei von Grüntönen. Aber die Strukturen gehen einem nicht ganz verloren, weil der Tropfen zumindest einen Teil des aus dieser Hinterwelt kommenden Lichts wie eine Lupe fokussiert und auf diese Weise die schon dem Blick verloren geglaubten Gräser mit einiger Schärfe wieder rekonstruiert. Das Ergebnis eines solchen Wechsels zwischen scharf und unscharf ist vermutlich ein weiteres ästhetisches Detail, das vielleicht unbewusst zur Schönheit des Gesamteindrucks beiträgt.
Es gibt aber auch noch kleinere Tropfen, die selbst in dieser Vergrößerung nicht mehr in allen Details zu erkennen sind. Sie kommen aber dem Ideal einer Kugel näher als die größeren.
Wieso sind kugelförmige Tropfen ein Ideal? Eine Antwort auf die Frage sind physikalische Prinzipien, denen sich auch die winzigen und daher kaum bemerkten Tropfen nicht entziehen können.
Die Wassertropfen stehen gewissermaßen unter dem Zwang die Kugelgestalt anzunehmen, weil das Volumen einer Portion Materie in Form einer Kugel von der kleinstmöglichen Oberfläche begrenzt wird. Damit wäre aber auch die zur Oberfläche proportionale Oberflächenenergie minimal. Und da jedes (abgeschlossene) System auf dieser unserer Welt so beschaffen ist, dass es so viel Energie wie unter den jeweils gegebenen Umständen möglich an die Umgebung abgibt, wäre damit diesem sogenannten Entropieprinzip Genüge getan.
Aber ein Tropfen ist nicht allein auf dieser Welt, er unterliegt folglich äußeren Einflüssen, die eine ideale Kugelgestalt der Wassertropfen unmöglich machen. Wir sehen also im Grunde so etwas wie energetische Kompromisse – aber sie sind es, die die Welt vielfältig, anregend und schön erscheinen lassen.

Strukturbildung beim Wasserfall

Alle Gegenstände und Medien, also auch Wasser, tendieren dazu die unter den gegebenen Umständen mögliche tiefste Lage einzunehmen. Dahinter steckt das natürliche Prinzip (2. Hauptsatz der Thermodynamik), soviel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben. Das Ergebnis wäre eine ebene Wasseroberfläche. Aber dazu kommt es im vorliegenden Fall gar nicht erst, weil der Behälter eine Öffnung hat, durch die das Wasser der gleichen Tendenz folgend in das nächst tiefere Becken fällt.
Aber selbst beim Fallen des Wassers gibt es eine Möglichkeit, Energie an die Umgebung abzugeben, indem die Oberfläche, zu deren Ausbildung verhältnismäßig viel Energie nötig ist, verkleinert wird. Doch auch dieser Prozess bleibt im Ansatz stecken, denn inzwischen hat das Wasser ein noch tieferes Becken erreicht.
Aber man kann immerhin erkennen, dass die fallende Schicht sich nach unten hin zusammenzieht mit der Tendenz Zylinderform anzunehmen. (Auch dazu würde es nicht kommen, wie ich in einem früheren Beitrag gezeigt habe).
Der nahezu freie Fall der Wasserschicht wird modifiziert durch Einflüsse der Ränder. Die sich beim schrägen Anstrom auf die Öffnungen aufwölbenden Wasserströme tendieren dazu, aus Trägheit ihre Richtung beizubehalten und führen in der unteren größeren Schale dazu, sich zu überkreuzen bevor sie abermals gestoppt werden und sich im Becken verwirbelnd zur nächsten Öffnung bewegen. Alle diese Vorgänge werden durch individuelle Einflüsse von Unregelmäßigkeiten an den Rändern u.Ä. überlagert und entsprechend modifiziert. Auf diese Weise entstehen naturschöne Wasserstrukturen.

Fast kugelförmig

Und ‘ne merkwürdige Ecke ist das ja: heut früh lag hinten, mitten im Waldgras – wo gestern Abend noch nichts gewesen war ! – eine Kugel von einem Fuß Durchmesser. Gelb pampig-schuppig; als Otje mit’m Stock drauf schlug, wuppte es büchsen, und stieß dann eine flache, matt-giftgründe Rundum-Staubwolke aus : „‘n Bovist ! – Jung sollen sie eßbar sein.“ Aber Otje, massiv=verächtlich : „‘Eßbar‘ bist letzten Endes auch – Du. – Falls De nich zu sehr nach Bock schmeckst.“*

An diese Passage Arno Schmidts wurde ich erinnert, als ich das schon ältere Exemplar des Staubpilzes von der Größe eines Fußballs halb unter einer Hecke verdeckt entdeckte. Mich hat vor allem die große Annäherung an die Kugelform beeindruckt, die in der Natur zwar angestrebt, aber nicht immer in dieser Deutlichkeit erreicht wird.
Die Bedeutung der Kugelform in der natürlichen und wissenschaftlich-technischen Welt liegt vor allem darin, dass die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen minimal ist. Das spielt in zahlreichen physikalischen Zusammenhängen eine wichtige Rolle. Beispielsweise tendieren Wassertropfen und Seifenblasen zur Kugel, weil dabei maximal viel Oberflächenenergie an die Umgebung abgegeben werden kann. Die Abgabe von unter den gegebenen Umständen maximal viel Energie an die Umgebung (Entropiesatz bzw. 2. Hauptsatz der Thermodynamik zählt zu den wesentlichen Vorgängen in der Welt.


* Arno Schmidt. Kühe in Halbtrauer. In: Ausgewählt Werke 3. Berlin 1990, S. 49

Weinende Pflanzen

Mich beeindruckt immer wieder, wenn an einem trockenen Morgen, die Blätter einer Pflanze nichts besseres zu tun haben, als Flüssigkeit an die Umgebung abzugeben. Dieser als Guttation bezeichnete physiologische Vorgang ist eine Art Notfallprogramm der Pflanzen, seinen Säftehaushalt zu regulieren.
Weil ich mich immer wieder von diesen weinenden Pflanzen auch ästhetisch angesprochen fühle, möchte ich hier einmal mehr auf dieses Naturphänomen aufmerksam machen.

Wege 22: Von der Hydrophobie zur Hydrophilie

Wer sich am frühen Morgen anschickt, diesen Weg zu gehen, kann sich zwar über einiges freuen – die strenge Linearität in einer an sich nichtlinearen Umgebung – sozusagen als Kontrastprogramm, über den üppigen Bewuchs und eventuell weitere schöne Dinge.
Wer sich aber über das Anschicken und Anschauen hinauswagt und vielleicht wie ich mit dem Fahrrad über diese künstlich angelegte Piste flitzt, wird sich bestimmt ärgern. Ich habe mich geärgert. Denn nach einigen Metern war ich bis zu den Oberschenkeln so durchnässt, dass ich eine schnelle Trocknung in den Wind schreiben konnte, der an diesem Tage ziemlich selbstbewusst über das Land zog: Das Gras war so hydrophil, also Wasser liebend, dass es sich voll eingedeckt hatte, es aber auch – das muss ich zugeben – sehr großzügig mit meinen ebenfalls hydrophilen Hosenbeinen teilte. Ich wurde darob so hydrophob, dass der Elan, mit dem ich den Tag startete, vorerst verflogen war.
Das Wasser, das unfairerweise in meinen Hosenbeinen eine neue Heimat gefunden hatte, dachte gar nicht daran, zu verfliegen. Selbst als der Fahrtwind zu Hilfe kam und die Verdunstungsrate kräftig in die Höhe schnellen ließ, dauerte es eine ganz Weile, bis ein merklicher Teil verdunstet war.
Den energetischen Preis dafür musste ich obendrein bezahlen: Indem der Wind den durch Verdunstung entstandenen Wasserdampf abtransportierte, wurde die Verdunstungsrate stark angefacht – mit der unangenehmen Konsequenz, dass die dafür nötige Energie meinen Beinen durch Wärme entzogen wurde, was am frühen Morgen, wenn die Sonne noch nicht so richtig hochgekommen ist, hydrophobe Gedanken geradezu provoziert.
Bei stehender Luft bleibt der Wasserdampf erstaunlich lange in der Nähe seines Ursprungsortes – also meinen in den Hosenbeinen steckenden, im Unterschied zu diesen aber sehr empfindlich auf warm und kalt reagierenden Beinen. Ohne weitere Bewegung und damit ohne Wind hätten sich die nassen Hosenbeine auf Körpertemperatur erwärmt und auf diese Weise  zumindest eine mittelerträgliche Situation geschaffen. Aber wegen der großen Verdunstungswärme von Wasser hätte es sehr lange gedauert, bis eine merkliche Trocknung eingetreten wäre. Also verwarf ich diesen Gedanken, trat kräftig in die Pedalen und überließ dem Fahrtwind unter Ausnutzung meiner Körperwärme die Hosenbeine zu trocknen.
Der Tag wurde warm, er wurde sogar so warm, dass diesmal die Feuchtigkeit durch Schwitzen von meinen Beinen ausging und von den hydrophilen Hosenbeinen von der anderen Richtung aufgenommen wurde und im Fahrwind zu einer angenehmen Kühle führte. So startete ich an diesem Tag als Hydrophiler, wurden zwischendurch Hydrophober und kehrte schließlich wieder als Hydrophiler zurück. Diese Bekehrung war zwar nicht das einzige Highlight dieses Tagesausflugs aber ein sehr ungewöhnliches.



					
				

Alte und neue Technik

Der alte Pilsumer Leuchtturm ist lange im Ruhestand. Vor ihm dreht sich ein vergleichsweise gigantisches Windrad. Aber nicht nur das Alter und die Größe machen den Unterschied. Der Leuchtturm benötigte zu seiner Zeit Energie, um den Schiffen heimzuleuchten. Das Windrad erzeugt Energie und zwar um Größenordnungen mehr als der Leuchtturm verbrauchte. Der Größenunterschied ist hier auch visuell in Szene gesetzt.
Der Leuchtturm steht nicht nur auf dem Deich, sondern auch für eine längst vergangene Zeit. Das Windrad produziert erneuerbare Energie und dreht sich für eine neue Zeit. Es ist nicht das einzige an der deutschen Nordseeküste und findet daher kaum noch Beachtung. Der Pilsumer Leuchtturm ist einzig(artig) auf der Welt und genießt insbesondere bei Touristen große Beliebtheit und nicht erst seit Otto ihn in einem seiner Filme auftreten ließ.

Bestäubte Regentropfen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 5 (2022), S. 77-78

Es regnete so stark, daß alle Schweine rein
und alle Menschen dreckig wurden

Georg Christoph Lichtenberg (1742–1799)

Auf Pflanzenblättern sammeln sich Pollen und anderer feiner Staub. Ein Regenschauer wirkt reinigend und hinterlässt manchmal Tropfen, die einiges über die physikalischen Vorgänge bei der Schmutzbeseitigung verraten.

Manche Pflanzen verteilen ihre Pollen so verschwenderisch, dass andere in ihrer Nachbarschaft regelrecht mit einer Schicht aus Blütenstaub eingedeckt werden. Das kann die betroffenen Blätter in ihrer Photosynthese einschränken. Zum Glück sorgen ab und zu Regenschauer wieder für klare Verhältnisse. An Wassertropfen, die an den Blättern hängenbleiben, kann man nachvollziehen, wie die Reinigungsvorgänge physikalisch ablaufen.

Das zeigt sich zum Beispiel an Maiglöckchen (siehe »Maiglöckchenblatt«). Nach einem heftigen Regenschauer sind bei anschließendem Sonnenschein auf waagerecht ausgerichteten, leicht konkaven Blättern einige liegen gebliebene Wassertropfen zu sehen. An dem größten von ihnen lassen sich die wesentlichen Aspekte des Reinigungsvorgangs rekonstruieren. Neben einer kleinen Spiegelung der Sonne fällt ein größerer heller Fleck auf der höchsten Stelle des Tropfens auf. Wie man an seinem Schatten auf dem Blatt erkennen kann, hat er einen materiellen Ursprung: eine nahezu kreisförmige Ansammlung von Pollenkörnern, die der Regen beim Gleiten über das ehemals bestaubte Blatt eingesammelt hat.

Wenn Regentropfen auf Bäumen oder anderen Pflanzen landen, hängt ihr Schicksal vor allem von der Beschaffenheit der Blattoberfläche ab. Bei wasserliebenden (hydrophilen) Flächen ist für eine gemeinsame Grenzfläche zwischen Wasser und Blatt weniger Energie nötig als zwischen Wasser und Luft. Die Tropfen breiten sich also möglichst ausladend auf dem Blatt aus. Bei wasserabweisenden (hydrophoben) Flächen muss hingegen verhältnismäßig viel Energie aufgebracht werden, und die gemeinsame Grenzfläche zwischen Blatt und Wasser bleibt daher vergleichsweise klein.

Ein Maß für die Benetzbarkeit ist der so genannte Kontaktwinkel, der sich zwischen Festkörper und Flüssigkeit einstellt. Von Hydrophobie spricht man, wenn er größer ist als 90 Grad. Das ist bei den Maiglöckchen offenbar der Fall. Insbesondere die kleinen Tropfen erscheinen fast kugelförmig. Bei ihnen macht sich der Einfluss der Schwerkraft weniger stark bemerkbar als bei den deutlich abgeflachten voluminöseren Exemplaren.

Sobald Regentropfen auf dem Maiglöckchenblatt landen, nehmen sie die Pollen auf, mit denen sie in Kontakt geraten. Die Pollen sind hydrophil und bleiben deswegen am Wasser haften. Interessanterweise versammeln sie sich entgegen der Schwerkraft an der höchsten Stelle der Tropfen und ordnen sich nahezu kreisförmig an.

Die Vorgänge lassen sich auf einfache Weise in einem Freihandexperiment nachvollziehen. Dazu füllt man ein Trinkglas vorsichtig so voll mit Wasser, dass es sich über den Rand hinaus aufwölbt – die Oberflächenspannung und die Hydrophilie des Glases verhindert ein Überlaufen. Die höchste Stelle des konvexen Wasserspiegels liegt dann in der Mitte. Gibt man nun einige Styroporkügelchen auf die Oberfläche, driften sie sofort dorthin und ziehen sich gegenseitig an (siehe mittleres Foto). Sie tendieren dazu, gemeinsam eine hexagonale Form mit minimalem Umfang anzunehmen. Bei einer größeren Anzahl kleiner Teilchen wie den Pollen erscheint das als Kreis.

Durch die Benetzung der Kügelchen werden diese ein wenig tiefer ins Wasser gezogen, als es ihrem Gewicht entspricht. Ähnlich wie bei einem im Schwimmbad herabgedrückten Ball provoziert das eine zusätzliche Auftriebskraft. Bei der erstbesten Gelegenheit nehmen die Teilchen daher die jeweils höchste Stelle ein. Deswegen wandern die Pollen am Tropfen und die Styroporkügelchen die gewölbte Wasseroberfläche im Trinkglas empor. Die gegenseitige Anziehung erfolgt aus demselben Grund. Sobald ein Teilchen in die Reichweite des konkaven Meniskus eines anderen kommt, steigen sie jeweils darin auf, bis nur noch eine schmale Wasserlamelle zwischen beiden besteht.

Der reinigende Effekt durch Staubpartikel einsammelnde Tropfen ist am stärksten bei hydrophoben Blättern ausgeprägt, also solchen, die von Wasser nur wenig benetzt werden. Da die Lotuspflanze das Phänomen besonders eindrucksvoll zeigt, spricht man auch vom Lotuseffekt. Er hat seine Ursache in einer besonderen mikroskopischen Struktur und wird häufig als Paradebeispiel für die Bionik genannt, bei der es darum geht, natürliche Phänomene technisch zu adaptieren. So reinigen sich speziell beschichtete Oberflächen bei einem Regenguss selbst.

Aber selbst bei hydrophilen Pflanzenblättern kann es bei größeren Schmutzansammlungen zu einer Art Hydrophobisierung kommen. Indem die aufprallenden Tropfen sich mit einer Staubschicht umgeben, haben die Blätter weniger direkten Kontakt zum Wasser, und die Hydrophilie nimmt ab. Den Effekt kann man ebenfalls durch ein einfaches Experiment nachvollziehen. Träufelt man etwas Wasser auf Bärlappsporen, so werden die Tropfen mehr oder weniger vollständig damit überzogen, während sie über das Puder kullern (siehe unteres Foto). Jetzt erfolgt der Kontakt mit dem Untergrund nur noch über die Staubhülle, und so werden die ummantelten Tropfen praktisch hydrophob. Sie rollen bei der kleinsten Neigung vom Blatt hinab und hinterlassen schließlich eine mehr oder weniger gesäuberte Unterlage.

Schönheit aus energetischer Sicht

Die beiden Steine sinken mit dem auf- und ablaufendem Wasser am Strand immer etwas tiefer in den Sand. Das geht langsam, die Natur hat Zeit. Infolge des immer wieder anströmenden Wassers wird der Stein unterspült und findet sich schließlich in einer kleinen Vertiefung wieder. Dieser Vertiefung strebt das im Sand gespeicherte Wasser zu. Aber es tut dies mit System. Nicht jede Wasserportion wählt ihren eigenen Weg, sondern den bereits von anderen gebahnten, wodurch ein kleines Rinnsal entsteht. Und dieses Rinnsal fließt in ein größeres und das größere Rinnsal in ein noch größeres. Warum so umständlich? Nur um dem Menschen einen naturschönen Anblick zu bieten? Das Wasser strebt auch hier wieder der tiefsten Stelle zu, weil dadurch Energie an die Umgebung abgegeben werden kann. Die bereits vorhandenen Rinnsale sind lokal gesehen die tiefsten Stellen.
Interessanterweise wird die Energie nicht irgendwie, sondern auf – ich möchte sagen – „ökonomische“ Weise abgegeben, indem pro Zeiteinheit so wenig Energie wie möglich an die Umgebung übergeht.
Das Ergebnis sind Strukturen, die in den meisten Fällen von den Menschen als geordnet oder ästhetisch ansprechend empfunden werden.

Eine physikalische Vertiefung dieser Überlegungen findet man hier.

Wärmestrahlung beim Osterfeuer

Flammen lodern züngelnd nach oben, brennendes Holz knistert, Funken sprühen in wilden Wirbeln hoch über dem Feuer, Gesichter glühen im Schein der Flammen und der Wärmestrahlung. Die Menschen erleben in der Betrachtung des Osterfeuers eine der elementaren Urgewalten und lassen sich mehr oder weniger innerlich beteiligt von den dadurch ausgelösten Gedanken und Gefühlen forttragen.

Das Osterfeuer gilt den Christen als ein Symbol für die Auferstehung von Jesus Christus. Aus einigen Quellen geht aber auch hervor, dass mit dem Licht der Winter und die dunkle Jahreszeit verabschiedet oder ausgetrieben werden.

Auf dem Foto fällt auf, dass sich die Flammen in heller Aufruhr befinden. Links oben scheint sich ein Flammenfragment selbständig zu machen und das Weite zu suchen. Daran kann man zweierlei erkennen. Zum einen wird deutlich, dass für die Flamme – zumindest für kurze Zeit – keine direkte Verbindung zum brennenden Holz nötig ist. Denn nicht das Holz an sich brennt, sondern die abgegebenen brennbaren Gase. Zum anderen sieht man nur den Teil der Flamme, der für uns sichtbares Licht abgibt. Das ist erst bei  Temperaturen oberhalb von etwa 700° C der Fall.
Beim Osterfeuer wird außerdem der Einfluss der Wärme durch Strahlung fühlbar. Es ist also weniger die erwärmte Luft, die uns zwangsläufig auf einen Sicherheitsabstand zum Feuer bringt, sondern vor allem die Wärmestrahlung. Die in der ersten Reihe zum Feuer hin stehenden Menschen, spüren dies besonders stark und wechseln bald in eine weiter hinter liegende Reihe. So bringt die Strahlungswärme zumindest die ersten Reihen in eine ständige „Konvektionsbewegung“. Erhitzte Menschen gehen nach hinten, kühle Menschen geraten nach vorn, bis auch sie wieder nach hinten wechseln und so weiter… Menschen sind eben auch nur Moleküle.

Physik im Alltag – Seltsame Phänome und ihre Erklärungen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft Spezial 1.22 (2022) 82 Seiten

Physikalischer Reiz des Gewöhnlichen
Die Menschen haben von jeher die Natur nicht nur wahrgenommen, sondern die Natur auch auf die eine oder andere Weise zu verstehen versucht. Aus heutiger Perspektive erstaunlich tief gehende physikalische Einsichten hat bereits Leonardo da Vinci vor mehr als 500 Jahren bei seinen zahlreichen Beobachtungen und zeichnerischen Rekonstruktionen bewiesen. Damals war die neuzeitliche Physik noch im Entstehen begriffen, sodass man nur darüber staunen kann, wie klar und verständlich Leonardo viele Alltagsbeobachtungen dargestellt hat. Die Kunst kam ihm bei der grafischen Rekonstruktion der Phänomene sehr zugute (S. 6).
Physik und Kunst haben sich von jeher gegenseitig befruchtet und zahlreiche Erscheinungen inspirieren oft durch ihren ästhetischen Reiz dazu, sie näher zu erschließen.
Aber selbst profan wirkende Vorgänge führen manchmal erstaunlich weit bis in die moderne Forschung.
So ist es eine alltägliche Erfahrung, Schnecken auf ihrem glitschigen Schleimfilm gleiten zu sehen. Denkt man jedoch an die eigenen Fortbewegungsprobleme (S. 40), drängen sich Fragen geradezu auf. Wie stellt es die Schnecke an, bergauf zu gleiten oder sich überhaupt vom glitschigen Schleim abzustoßen? (S. 64).
Die wissenschaftliche Antwort führt direkt in die Küche, in der wir es mit ähnlichen Problemen zu tun haben, wenn beispielsweise der Ketchup aus der Flasche wohldosiert auf dem Teller landen soll (S. 72). Flüssigkeiten können je nach mechanischer Einwirkung zwischen zäh- und leichtflüssig wechseln. In Form von Schaum ähneln manche Gemische sogar einem Festkörper (S. 70). Selbst reines Wasser zeigt oft faszinierende Strukturen und überraschende Schauspiele. Es ist sogar musikalisch: Spült man nach der Teepause sein Edelstahlsieb, so bekommt man zuweilen schöne Töne zu hören. Dahinter steckt ein komplexer Vorgang, der erst zum Mysterium wurde, seitdem es diese Teesiebe gibt (S. 78). Andere Strömungsereignisse sind altbekannt, aber nicht weniger imposant und fordern geradezu dazu heraus, selbst ausprobiert zu werden.
Lassen Sie sich durch diese Sammlung inspirieren, fortan den Alltag mit neuen Augen zu sehen.

Ihr H. Joachim Schlichting.

Ein Stein schafft sich ein naturschönes Ambiente

Wo bislang eine unansehnliche Wasserpfütze den Wanderweg blockierte, hatte sich gestern mit Hilfe des nächtlichen Frosts ein naturschöner Anblick entfaltet. Ausschlaggebend für die Entwicklung dieser individuellen Eisstruktur ist ein Stein, der beim Zufrieren der Pfütze ganz zu Beginn die entscheidenden Strukturimpulse gibt. Sie sind hier als radial vom Stein ausgehende Eiskristalle zu sehen, die gewissermaßen das Fachwerk abgeben, dessen Zwischenräume ganz zum Schluss zufrieren. Weiterlesen

Der Tanz ist realer als die Atome

Was ist also dieses Gehirn, was sind all diese Atome mit Bewußtsein? Schnee von gestern! Nur deshalb können wir uns daran erinnern, was uns ein Jahr zuvor durch den Kopf gegangen ist – durch einen Kopf, in dem inzwischen längst alles völlig erneuert ist. Genau das bedeutet nämlich die Erkenntnis, wie lang es dauert, bis alle Atome des Gehirns durch andere ersetzt sind: daß meine Individualität nur ein Muster ist, ein Tanz. Die Atome kommen in mein Hirn, machen ihr Tänzchen und gehen dann wieder. Immer andere Atome, aber stets der gleiche Tanz, und immer mit der Erinnerung daran, wie der Tanz gestern ausgesehen hat.*

Der Physiker Richard Feynman (1918 – 1988) bringt hier auf anschauliche Weise zum Ausdruck, dass aus der reduktionistischen Perspektive der Physik die abstrakten Muster der aus den realen Dingen aufgebauten Welt entscheidend sind für das was wir als Wirklichkeit empfinden. Man weiß, dass durch unseren Stoffwechsel – die körperliche Kommunikation mit der Umwelt – die Moleküle unseres Körpers ständig ersetzt werden. So wird beispieslweise unsere Leber in wenigen Wochen durch neue Materie ersetzt. (Leider wird dabei auch eine mögliche Krankheit mit repoduziert).
Was bleibt und was bedeutet es, wenn unser Körper nach einiger Zeit materiell ersetzt/erneuert wurde, die Erinnerung an Kindheitserlebnisse, an den ersten Kuss oder auch an einen Unfall… davon völlig unberührt bleibt?
In der Physik ist es nicht anders. Entscheidend sind die Muster, die Kräfte, die Tänze, die das Verhalten der materiellen Dinge, der Elementarteilchen etc. bestimmen. Und das gilt es zu beschreiben und zu verstehen.


* Richard Feynman, z.n.: K. C. Cole. Warum die Wolken nicht vom Himmel fallen. Berlin 2000; S. 183


Eisstrukturen zwischen Mangel und Überfluss

Sprießende Spitzen: Vor allem an den winzigen unterkühlten Blattseiten wachsen Eiskristalle, indem sie vorbeidriftende Wasserdampfmoleküle einsammeln.

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 2 (2022)

Es waren Myriaden im Erstarren zu ebenmäßiger Vielfalt kristallisch
zusammengeschossener Wasserteilchen.

Thomas Mann (1875–1955)

In kalten Nächten wachsen oft weit verzweigte Eiskristalle heran. Wo und wie sie genau entstehen, hängt vor allem von den lokalen Gegebenheiten ab.

Zwar verlieren Pflanzen im Winter ihre Blütenpracht, doch dafür sprießen an ihnen filigrane, dendritische Eiskristalle und bieten einen schönen und physikalisch interessanten Ersatz. Damit solche Strukturen entstehen können, ist neben tiefen Temperaturen aber auch Wasser nötig.

In einer trockenen und wolkenfreien Nacht kann reichlich davon anfallen. Das ist uns bereits aus den wärmeren Jahreszeiten vertraut: Nicht selten sind am frühen Morgen Blätter und andere Gegenstände mit zahlreichen, bei Sonnenschein glitzernden Tautröpfchen benetzt. Durch Abstrahlung von Energie zum dunklen Himmel fällt die Temperatur der Objekte; Luft in deren Nähe kühlt ebenfalls ab. Damit sinkt die maximal mögliche Konzentration des darin enthaltenen Wasserdampfs (maximale Feuchte). Unterschreitet sie die aktuell vorhandene absolute Feuchte, kondensiert das überschüssige Wasser. Die Temperatur, bei der das passiert, heißt Taupunkt.

Kleinere und flachere Gebilde wie Grashalme und Blätter kühlen stärker ab. Denn einerseits ist die pro Zeiteinheit abgestrahlte Energie in etwa proportional zur Größe der Oberfläche, andererseits ist die gespeicherte innere Energie proportional zum Volumen. Wenn r für eine typische lineare Größe eines Gegenstands steht, etwa seinen Radius, dann schrumpft seine Oberfläche proportional mit r^2, sein Volumen aber mit r^3. Wird das Objekt beispielsweise um den Faktor 10 verkleinert, so verringert sich seine Oberfläche um das 100- und sein Volumen um das 1000-Fache. Also nimmt die zu Letzterem proportionale innere Energie stärker ab als die Oberfläche – und mit der inneren Energie ist wiederum die Temperatur verbunden.

Im Winter sind die Verhältnisse nicht grundlegend anders, nur liegt der Taupunkt gegebenenfalls unterhalb des Gefrierpunkts. Dann wird der überschüssige Wasserdampf gar nicht erst flüssig, sondern gefriert an den eiskalten kleinen Strukturen direkt zu Kristallen (Resublimation). Um vom gasförmigen in den festen Zustand überzugehen, benötigen die Wassermoleküle Unterstützung in Form von so genannten Keimen. Das sind meist winzige Partikel, an denen die Kristallisation leichter gelingt als beispielsweise im freien Raum. Der ideale Keim ist ein bereits existierender Eiskristall, und daher wachsen eher vorhandene Exemplare als neue entstehen.

Auf einem Blatt entwickeln sich die ersten Eisstrukturen bevorzugt an dünnen Härchen und anderen winzigen Auswüchsen (siehe »Sprießende Spitzen«). Sie sind nicht nur besonders kalt, sondern ragen oft außerdem ein Stück weit in die Umgebung hinein, die von Wasserdampfmolekülen wimmelt. Deren Verfügbarkeit ist zudem einer der Gründe dafür, dass die entstehenden Eisnadeln meist nicht in beliebige Richtungen wachsen, sondern von ihrer Basis weg ins Freie. Dabei spielt ein weiterer Aspekt eine wichtige Rolle: Bei der Resublimation fällt Energie aus Kondensationswärme und Kristallisationswärme an. Nur, wenn sie genügend schnell weggeschafft wird, kann Dampf tatsächlich erstarren.

Hexagonale Blättchen: Über Buschwerk, das tagsüber von der Sonne aufgeheizt wurde, wachsen nachts flächige Eiskristalle mit einem typischen Durchmesser von einem Zentimeter.

Haben die Spitzen eine bestimmte Länge erreicht, können Seitenzweige schräg nach oben austreiben, weil ihre Flanken jetzt genügend weit von der Basis entfernt sind. So ergeben sich die dendritischen Strukturen gewissermaßen zwangsläufig.

In der Natur sind vielfältige Eiskristallmuster zu beobachten. Das spiegelt die zahlreichen Möglichkeiten wider, die sich durch die Geometrie der Objekte, die jeweils herrschenden Temperaturverhältnisse, den Nachschub an Wasserdampfmolekülen sowie die Entsorgung der Abwärme ergeben.

Die bislang erläuterten Strukturen entsprechen Verhältnissen mit eingeschränkter Versorgung mit Material und begrenztem Abführen der Kristallisationswärme. In Situationen, in denen reichlich Wasserdampf vorhanden ist und die Wärme optimal abtransportiert wird, gibt es eine ganze Klasse weiterer Eisstrukturen. Sie sind großflächig und dicht. Bei ihnen schlägt sich der Einfluss der hexagonalen Symmetrie der mikroskopischen Wassermoleküle auf die makroskopischen Muster besonders deutlich nieder.

Baumartig: Eiskristallstrukturen treten an manchen Stellen lamellenartig gestaffelt auf.

In einem Fall (siehe »Hexagonale Blättchen«) war der Ausgangspunkt der Strukturbildung eine Schneedecke, die sich großflächig über niedriges Buschwerk gelegt hatte. Tagsüber heizte die intensiv strahlende Sonne den dunklen Raum darunter auf – eine feuchtigkeitsgesättigte Atmosphäre entstand. In der anschließenden sternklaren Nacht kühlte sich die obere Schneeschicht stark ab. Von unten stiegen verhältnismäßig warme Luft und Wasserdampf auf. Letzterer schlug sich im Bereich des Schnees nieder und erstarrte. Bei so einer Konstellation wird die Kristallisationswärme leicht in den kalten Nachthimmel abgestrahlt. So füllen sich beim Emporwachsen selbst die Zwischenräume problemlos. In nur einer Nacht können auf diese Weise lamellenartige Strukturen entstehen, die teilweise wie nach oben offene Gefäße aussehen und an manchen Stellen wie Kühlrippen gestaffelt sind. Letztere Ähnlichkeit ist mehr als rein äußerlich, schließlich kommt es gerade bei üppiger und effektiver Produktion von Kristallstrukturen weiterhin darauf an, die Wärme optimal abzugeben. So sind auch die typischen weihnachtsbaumartigen Muster (siehe »Baumartig gestaffelt«) weniger eine ästhetisch ansprechende Laune der Natur, als vielmehr eine physikalische Notwendigkeit.

Rätselfoto des Monats Februar 2022

Wie kommt es zu den Strukturen im Eiszapfen?


Erklärung des Rätselfotos des Monats Januar 2022
Frage: Wie kommt es zu den weißen Nadeln?
Antwort:
Diese filigranen und gegen Berührung sehr sensiblen Kunstwerke der Natur entstehen, wenn die Temperatur einige Grade (-8 °C) unter Null liegt und die Wasserdampfkonzentration sehr hoch ist (relative Feuchte über 90%).
In der Nähe von kalten Gegenständen überschreitet die relative Feuchte 100 % und die überschüssigen Wasserdampfmoleküle tendieren unter derartigen Bedingungen dazu, sich an kalten Gegenständen niederzulassen und sich auf diese Weise am Aufbau von Eiskristallen zu beteiligen (Resublimation). Am günstigsten sind die Stellen, an denen sich bereits kleine Kristalle befinden. Daran docken die Moleküle an und die Kristalle wachsen wie in diesem Fall meist nadelartig nach außen dem Nachschub entgegen. Dieser wird mit dem Wind herbeigeführt.
Eis ist an sich transparent. In Form winziger Kristalle reflektiert es die von den Objekten ausgehenden Lichtstrahlen jedoch in alle Richtungen, sodass die nachbarschaftlichen Beziehungen zwischen ihnen verlorengehen und damit die Transparenz durch ein zauberhaftes Weiß ersetzt wird (Lichtstreuung).

Entropie – das mephistophelische Prinzip?

Dadurch dass die Sonne zerstrahlt und dadurch u. A. Pflanzen wachsen lässt, wird ihr Zerfall immer wieder partiell zurückgespult.

Im Anschluss an meine Erinnerung an den „Erfinder“ der Entropie habe ich erstaunlich viele Reaktionen erhalten. In fast allen überwog der Gedanke, dass das Entropieprinzip doch als negativ einzuschätzen sei, weil es letztlich den Wärmetod der Welt bedeute. Ohne noch einmal auf die physikalischen Hintergründe zu sprechen zu kommen (das habe ich in an anderer Stelle getan), möchte ich ganz kurz einige Aspekte des ideengeschichtlichen Kontexts skizzieren, die vor allem zu der Zeit diskutiert wurden, als das Entropieprinzip in der Physik eingeführt wurde.
Wie kaum ein anderes physikalisches Konzept ist die Energie in die Alltagswelt der Menschen abgesunken. In Form von elektrischem Strom, Benzin und anderen Brennstoffen sowie im Zusammenhang mit den zugehörigen energietechnischen Einrichtungen hat die Energie inzwischen alle Lebensbereiche durchdrungen. Die Bedeutung der Energie über die Physik hinaus wurde schon sehr früh erkannt und der Aufbruchstimmung in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts gemäß zuweilen mit schwärmerischen Worten beschrieben. So verehrt beispielsweise der Physiker Felix Auerbach (1856 – 1933) „die Energie als Göttin, als Königin hier gebend und dort nehmend, im ganzen aber weder gebend noch nehmend, (die) sich über allem, was sich im unendlichen Raume, im Strome der dahinfließenden Zeit abspielt thront“. Aber es wird auch nicht übersehen, dass die Energie trotz ihrer Erhaltung von der Entropie bedroht wird. Sie ist für Auerbach „der Schatten, der böse Dämon, der zu beeinträchtigen, wenn nicht gar zu verderben suchen wird, was der strahlende Dämon (also die Energie, H. J. S.) in das Dasein an Großem: Schönem und Gutem hineinzutragen sich bemüht“ *. Schon bald ist vom Wärmetod der Welt die Rede, auf den wegen der Entropieerzeugung alles zustrebe.
Diese Auffassung bestimmt auch heute noch weitgehend die Einstellung zur Entropie. Dabei wird jedoch übersehen, daß nicht die in ihrer Quantität ewig unveränderliche Energie als treibende Kraft allen Geschehens anzusehen ist, sondern gerade der böse Dämon, die Entropie, die alles zugrundezurichten trachtet. Man wird an Goethes Mephisto erinnert, der die Hölle des Wärmetods auf ganz ähnliche Weise herbeizuführen versucht:
Ich bin der Geist, der stets verneint!
Und das mit Recht, denn alles was entsteht,
Ist wert, das es zugrundegeht
. (Faust I)
Dabei wird sein Tun aber auch an anderer Stelle gewürdigt, indem resümiert wird, er sei
ein Teil von jener Kraft,
Die stets das Böse will
und stets das Gute schafft
…(Faust I)
Mit anderen Worten: Aufwertung, Ordnung, Struktur … ist nur durch Entwertung, Dissipation, Zerfall… möglich. Oder wie Goethe es in einem Gedicht Eins und Alles ausdruckstark formuliert hat:
Denn alles muß in Nichts zerfallen,
wenn es im Sein beharren will.
Darin kommt ein wesentlicher Zug unserer Existenz zum Ausdruck, den Voltaire in dem Satz
Tout est dangereux ici bas,
et tout est nécessaire“
(Zadig).
Mit anderen Worten: Das Leben wird aufrechterhalten durch das, was ihm auch tödlich werden kann.
Diese Aussage kann auch physikalisch durchaus wörtlich genommen werden. Dazu muss man sich nur vergegenwärtigen, daß beispielsweise die Atmung, eine der Lebensäußerungen schlechthin, einen Zerfallsprozess darstellt. Die Atmung bedingt, daß die organischen Nahrungsmittel (beispielsweise Glukose) in ihre anorganischen Bestandteile zerfallen und auf diese Weise die Lebensvorgänge des Organismus in Gang halten:

[CH20]6 + 6 02 –> 6 H20 + 6 C02 + Energie.

Das funktioniert natürlich nur so lange, wie dafür gesorgt wird, daß auch dieser Vorgang immer wieder in Form der Fotosynthese zurückgespult wird. Dafür ist grob gesagt der globale irreversible Zerfallsvorgang verantwortlich, aufgrund dessen Sonnenlicht (bei hoher Temperatur) auf die Erde fällt und diese schließlich (bei Umgebungstemperatur) wieder verlässt, eine Tatsache, die bereits Ludwig Boltzmann um die Wende zum 20. Jahrhundert erfasste:

Der allgemeine Daseinskampf der Lebewesen ist nicht ein Kampf um die Grundstoffe…, auch nicht um Energie, welche in Form von Wärme leider unwandelbar in jedem Körper reichlich enthalten ist, sondern ein Kampf um die Entropie, welche durch den Übergang der Energie von der heißen Sonne zur kalten Erde disponibel wird. Diesen Übergang möglichst auszunutzen, breiten die Pflanzen die unermeßliche Fläche ihrer Blätter aus und zwingen die Sonnenenergie…, ehe sie auf das Temperaturniveau der Erdoberfläche herabsinkt, chemische Synthesen auszuführen…Die Produkte dieser chemischen Küche bilden das Kampfobjekt für die Tierwelt.**

Der Zerfallsprozess (1) wird also zurückgespult:

Sonnenergie + 6 H20 + 6 C02 –> [CH20]6 + 6 02 .


* Felix Auerbach. Die Weltherrin und ihr Schatten. -Jena: Fischer 1913, S.1
** Ludwig Boltzmann. Der zweite Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie. Leipzig 1905, S. 40

Für ewig entzweite Pole

Eisenfeilspäne zeigen die abstoßende Wirkung zweier gleichnamiger ferromagnetische Pole

Was will die Nadel nach Norden gekehrt?“
Sich selbst zu finden, es ist ihr verwehrt.
Die endliche Ruhe wird nur verspürt,
Sobald der Pol den Pol berührt.
Drum danket Gott, ihr Söhne der Zeit,
Daß er die Pole für ewig entzweit.
Magnetes Geheimnis, erkläre mir das!
Kein großer Geheimnis, als Lieb´ und Haß.
Willst du deines Gleichen kennen lernen,
So wirst du dich gleich wieder entfernen.
Warum tanzen Bübchen mit Mädchen so gern?
Ungleich dem Gleichen bleibt nicht fern.
Dagegen die Bauern in der Schenke
Prügeln sich gleich mit den Beinen der Bänke.
Der Amtmann schnell das Übel stillt,
Weil er nicht für ihres Gleichen gilt.
Soll dein Kompaß dich richtig leiten,
Hüte dich vor Magnetstein, die dich begleiten.
*

Die anziehende und abstoßende Wirkung eines Ferromagneten und die Vermutung, dass die Erde als ein solcher anzusehen sei, wurde nicht nur im Rahmen der aufkommenden neuzeitlichen Physik als eine erstaunliche Eigenschaft der Materie angesehen. Sie wurde auch schnell zum Gegenstand esotherischer Praktiken und zur Metapher für Abstoßung und Anziehung in fast allen Bereichen des menschlichen Lebens.
Der Ferromagnetismus wurde erst im letzten Jahrhundert als kollektive makroskopische Wirkung eines mikroskopischen Effekts, dem Spin von Atomen, erkannt. Auch heute noch ist der Magnetismus allgemein eine aktuelle Forschungsdisziplin der Physik und hat seine tiefsten Geheimnisse (noch) nicht preisgegeben.


* Johann Wolfgang von Goethe. Poetische Werke. Band 1, Berlin 1960 ff, S. 423ff.


Johann Wolfgang von Goethe
(Deutscher Dichter 1710–1782)
Johann

Zum 200. Geburtstag von Rudolf Clausius – Energie und Entropie

Die Sonnenenergie wird verbraucht, die Entropie nimmt zu. Doch dadurch werden alle lebenswichtigen Vorgänge auf der Welt angetrieben.

Heute vor 200 Jahren wurde der Physiker Rudolf Clausius (2. Januar 1822 – 24. August 1888) geboren. Er ist der „Entdecker“ der Entropie, einer physikalische Größe, die nicht nur von physikalischer Bedeutung ist, sondern letztlich als zentraler Begriff für die Beschreibung wesentlicher Aspekte der Energieproblematik gelten sollte. Leider kommt das meist nicht direkt zum Ausdruck, obwohl es helfen würde, den Umgang mit der Energie besser einzuschätzen.
Das Problem ist nämlich, dass die Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann – es ist eine Erhaltungsgröße. Die lebensweltlichen Erfahrungen mit der Energie sind scheinbar andere: Demnach geht Energie verloren. Denn man muss ständig neue Energie zum Heizen, für die Fortbewegung und viele andere Hilfsfunktonen im Alltag beschaffen und dementsprechend auch dafür bezahlen. Aber geht es uns beispielsweise mit dem Wasser, das uns per Wasserleitung ins Haus geführt wird genauso? Wir sprechen von Wasserverbrauch: Wasser wird für die verschiedensten Zwecke, zum Kochen, Waschen, Klospülen usw. verbraucht, ohne dass jemand der Meinung wäre, das Wasser würde verschwinden, vernichtet werden. Im Gegenteil, meist wird die Schmutzwasserbeseitigung dadurch berechnet, dass man den Wasserverbrauch an der Wasseruhr abliest.
Ganz ähnliche Erfahrungen machen wir mit dem Energieverbrauch, bei dem die Energie mengenmäßig erhalten bleibt und insofern qualitativ verändert wird, als sie nicht noch einmal für denselben Zweck zu gebrauchen ist. Hat sich meine Tasse mit heißem Tee abgekühlt, so wurde die Energie durch Wärme an die Umgebung abgegeben. Mir ist es dann nicht ohne Weiteres möglich die jetzt in der Zimmerluft befindliche Energie wieder in den Tee zurückfließen zu lassen. Der Energieverbrauch ebenso wie der Wasserverbrauch besteht darin, dass die Energie nicht noch einmal für denselben Zweck gebraucht werden kann. Sie wird entwertet. Es ist also neben der Erhaltung der Energie ein Begriff erforderlich, der die Entwertung bzw. die darin enthaltene Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) durch eine neue Größe zu erfassen.
Genau darin besteht das Verdienst von Rudolf Clausius, indem er die Energieentwertung mit Hilfe der Größe der Entropie erfasste, die fortan mit dem Buchstaben S bezeichnet wird. In einer berühmten Arbeit aus dem Jahre 1865 schreibt er in diesem Zusammenhang: „… so schlage ich vor, die Größe S nach dem griechischen Worte , die Verwandlung, η  τροπή, die Verwandlung, die Entropie des Körpers zu nennen. Das Wort Entropie habe ich absichtlich dem Worte Energie möglichst ähnlich gebildet, denn die beiden Größen, welche durch diese Worte benannt werden sollen, sind ihren physikalischen Bedeutungen nach einander so nahe verwandt, daß eine gewisse Gleichartigkeit in der Benennung mir zweckmäßig zu seyn scheint“.
Er schließt seinen Aufsatz mit der den Worten, dass „man die den beiden Hauptsätzen der mechanischen Wärmetheorie entsprechenden Grundgesetze des Weltalls in folgender einfacher Form aussprechen kann.
1) Die Energie der Welt ist constant,
2) Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.“*
Den 2. Hauptsatz der Thermodynamik oder der Entropiesatz, wie man ihn heute bezeichnet, besagt also, dass die beim Umgang mit der Energie auftretende Energieentwertung nur zunehmen, nicht aber abnehmen kann.

Wer es etwas genauer informiert werden möchte, den verweise ich auf frühere Beiträge (z.B. hier und hier und hier).


* Rudolf Clausius. Über verschiedene für die Anwendung bequem Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie. Analen der Physik und Chemie Band CXXV 7, No. 7  (1865) S. 353 – 400

Der Winter kündigt sich mit feinen Kristallen an

Jetzt beginnt die Zeit, in der die Herbstfarben allmählich in den Hintergrund treten, auch wenn sie noch keck durch die Kristalle hindurchschimmern, mit denen der aus Schwarzweiß ausgerichtete Winter das Bunte zu überkrusten versucht. Die Eiskristalle haben sich in der klaren kalten Nacht gebildet. Sie streben alle in nachbarschaftlicher Konkurrenz dem Himmel zu, weil es in der Nähe der Blattoberfläche noch zu warm ist, um die Kristallisationswärme loszuwerden. Denn das ist der energetische Preis für den Übergang vom Gas zum Festkörper.
Jeder Kristall startet auf einem Härchen oder einer kleinen Erhöhung auf dem Blatt und wartet auf Wasserdampfmoleküle, die sich den bereits kristallisierten und damit fixierten zugesellen.
Wir sehen hier nicht mehr die Schönheit des Herbstes, sondern des Übergangs zum Winter, der demnächst auch offiziell beginnt. Inoffiziell hält er ja bereits als meteorologischen Winterbeginn seit Monatsanfang in unseren Breiten seinen noch schüchternen Einzug.

Kristallmalerei

In einer klaren Nacht strahlen kleine Objekte – hier die feinen Strukturen der Efeu-Blätter – viel mehr Energie in den kalten Weltraum als sie von dort erhalten. Dadurch sinkt die Temperatur dieser Strukturen unter den Taupunkt. Da dieser jahreszeitlich bedingt immer häufiger unter den Gefrierpunkt sinkt, haben überschüssige Wasserdampfmoleküle, die in ihre Nähe geraten nichts besseres zu tun, als sich dort niederzulassen – als Eiskristalle. Auf dieses Weise ziehen sie Konturen nach und versehen die Blätter mit kleinen kristallenen Tupfern. Die Natur hat eben Geschmack.

Ein Prall, ein Schall und Brandgeruch

Ein Prall – ein Schall – dicht am Gesicht –
Verloren ist das Gleichgewicht.

So töricht ist der Mensch. – Er stutzt,
Schaut dämisch drein und ist verdutzt,
Anstatt sich erst mal solche Sachen
In aller Ruhe klarzumachen. –

Hier strotzt die Backe voller Saft;
Da hängt die Hand, gefüllt mit Kraft.
Die Kraft, infolge der Erregung,
Verwandelt sich in Schwungbewegung.
Bewegung, die in schnellem Blitze
Zur Backe eilt, wird hier zu Hitze.
Die Hitze aber, durch Entzündung
Der Nerven, brennt als Schmerzempfindung
Bis in den tiefsten Seelenkern,
Und dies Gefühl hat keiner gern.

Ohrfeige heißt man diese Handlung,
Der Forscher nennt es Kraftverwandlung
*

Auch wenn man heute eher von Energieumwandlung sprechen würde, ist der entscheidende Gedanke, den Wilhelm Busch hier herausarbeitet, die Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärmeenergie – Busch spricht von Hitze. Ich habe versucht, das Experiment nachzustellen, aber nicht mit ruhender Backe und bewegte Hand, sondern mit einer 100 g schweren Stahlkugel, die ich auf eine harte Unterlage fallen lasse.
Um den Umwandlungseffekt nicht nur zu visualisieren, sondern auch berechnen zu können, lege ich auf die Stahlunterlage ein Blatt Druckerpapier. Wenn die Kugel auf die Unterlage auftrifft, wird fast alle Energie auf einmal in einer winzig kleinen Berührfläche freigegeben. Es kommt zu einem Knall und einer starken lokalen Erhitzung bzw. Temperatursteigerung. Obwohl der Knall nicht zu überhören ist und damit auch ein Teil der freigesetzten Energie als Schallenergie abgegeben wird, ist ihr Beitrag vergleichsweise gering und wird hier nicht weiter verfolgt.Durch die lokale fast augenblickliche Energieabgabe, kommt es zu einer starken Temperaturerhöhung. Das erkennt man daran, dass ein Loch im Papier entsteht. Und dieses Loch ist in den meisten Fällen sogar durch einen auf die Verbrennung zurückgehenden braunen Rand gesäumt. Hinzu kommt, dass man einen deutlichen Brandgeruch wahrnimmt und manchmal von einer kleinen Rauchfahne umweht wird.
Wer hätte gedacht, dass die Temperaturerhöhung durch die beim Stoß freiwerdende Energie die Entzündungstemperatur von Papier (ca. 360 °C) übertrifft?
Dies kann man übrigens leicht rechnerisch abschätzen. Geht man nämlich vereinfachend davon aus, dass die Bewegungsenergie beim Fall der Kugel aus 1 m Höhe vollständig in Wärme (besser: thermische Energie) verwandelt wird, so kommt man zu einer Temperaturerhöhung von ca. 600° C. Das liegt so weit über der erforderlichen Entzündungstemperatur, dass die vereinfachenden Voraussetzungen mehr als ausgeglichen werden.


* Wilhelm Busch (1832 – 1908)

Mischen und Entmischen

Man geht oft davon aus, dass Systeme, die unkontrolliert aufeinander treffen, in einen Zustand höherer Unordnung übergehen. Salz und Zucker sind ein bekanntes Beispiel. Es ist schwierig sie wieder zu entmischen. Ähnliches passiert, wenn sich nach einem starken Regenschauer Mulden im Boden mit Wasser und den vom ihm mitgeführten Teilchen füllen. Es entsteht je nach der Art und Reichhaltigkeit der Teilchen ein oft schmutziges Gemisch.
Wartet man jedoch ab bis der Schauer vorbei ist und das Wasser schließlich versickert/verdunstet ist, dann erlebt man häufig, dass dabei eine neue Ordnung entstanden ist. Im vorliegenden Fall ist die ehemalige Pfütze von einem weißen Rand umgeben und im Innern haben sich die meisten anderen Schwebe- und Sinkstoffe zu einem dunklen Teppich versammelt. Die Mischung von hellem Sand und dunklen meist organischen Teilchen, die man in der Umgebung vorfindet, hat sich im ehemaligen Bereich der Pfütze entmischt. Beim Einströmen des Wassers ist der schwere Sand weitgehend liegen geblieben, während die leichteren oft sogar schwimmfähigen anderen Bestandteile vom Wasser in die Mitte transportiert wurden und dort beim Verschwinden des Wassers liegen geblieben sind.
Und das liegt nicht daran, dass die Pfütze (nahezu) Herzform hat.

Lichtinstallation im Kleinen

Was am Tag wie eine reichlich verzierte (kitschige) Vase aussieht zeigt ihr wahres Gesicht in der Nacht. Es ist nämlich gar keine Vase, sondern ein High-Tech-Produkt. Es enthält im oberen Teil eine Solarzelle, die tagsüber aus Sonnenenergie elektrische Energie gewinnt, die in einem kleinen Akku gespeichert und bei Dunkelheit wieder zurückverwandelt wird in Lichtenergie. Da sich die Lampe, die das Licht aussendet, nunmehr im unteren Teil der Vase befindet, werden die transparenten, in allerlei Formen strukturierten Fensterchen der perspektivischen Verzerrung entsprechend in unterschiedlichen Größen auf dem Tisch abgebildet.
Erstaunlich war für mich, wie lange doch die gespeicherte Energie dank der effektiven Lichtquelle und der inzwischen ebenfalls verbesserten Wirkungsgrads der Solarzelle und des Akkus die kleine Lichtinstallation am Leben erhielt.

Der wilde Wein macht den Anfang…

Bei uns macht der wilde Wein den Anfang mit der Sicherung des Chlorophylls und dem damit verbundenen Hervortreten der bislang überdeckten Blattfarben. Merkwürdigerweise scheint dadurch das Ausbreitungsbegehren dieser alles einnehmenden Pflanze bislang noch nicht in Mitleidenschaft gezogen zu werden. Jedenfalls sind die nach Haltemöglichkeiten suchenden Ranken noch in voller Aktion mit all ihren lustigen Fehlleistungen (oder sind es spielerischen Anwandlungen), wenn sie sich z.B. gegenseitig umschlingen (unteres Foto).
Die Ranken beim wilden Wein sind aus Sprossachsen hervorgegangen und nehmen offenbar genauso farbenprächtig an der herbstlichen Verfärbung teil wie die Blätter.
Wenn die herbstlichen Verfärbungen nicht biologische Notwendigkeit wären, hätte man sie aus rein ästhetischen Gründen erfinden müssen.

.

Schatten – Abwesenheit von Licht

Das leuchtende Auge erhellt den betrachteten Weg

Vielleicht fasziniert uns an den Schatten die virtuelle Möglichkeit, ihn als inverses Licht anzusehen. Man stelle sich vor, dass Schatten Leuchtspuren darstellen, die von einem dunkles Licht ausstrahlenden Gegenstand ausgehen.
Doch physikalisch macht eine solche Umkehrung keinen Sinn. Schatten sind die bloße Abwesenheit von Licht (bzw. genauer: des Lichts der dominierenden Lichtquelle) und bezeichnen etwas Fehlendes, während Licht so etwas wie reine Energie darstellt – eine Differenz also zwischen Sein und Nichtsein.
Etwas Ähnliches gilt für die Abwesenheit von Wärme, was wir als Kälte empfinden. Und wenn wir davon sprechen, dass Kälte in einen Raum eindringt, dann erscheint uns diese Sprechweise direkter als zu sagen, die Wärme würde den Raum verlassen. Physikalisch gesehen ist aber genau das der Fall.

Doppelte Ernte

Auf diesem Feld wurde nicht nur Getreide geerntet. Davon zeugen noch das Stoppelfeld und die zusammengerollten Strohballen im Hintergrund. In einer Etage darüber ernten Windräder unabhägig von der Jahreszeit mechanische Energie aus der bewegten Luft (Wind), die nach einer Umwandlung in elektrische Energie durch Hochspannungsleitungen (ebenfalls im Bilde) dorthin geleitet wird, wo man sie benötigt.

Flechten – genügsam und überlebensfähig

Diese Flechten auf den Dachpfannen beeindrucken durch ihre natürliche Farbenpracht. Viele Menschen fühlen sich offenbar eher abgestoßen. Im Internet stößt man vorwiegend auf Ratschläge, wie man diese Schönheiten der Natur dauerhaft entfernt. Dabei handelt es sich bei diesen interessanten Hybriden zwischen einem oder mehreren Pilzen (Mykobionten) und Grünalgen um Bioindikatoren, die uns die Luftreinheit anzeigen.
Die Grünalgen sind in dieser symbiotischen Lebensgemeinschaft für die Photosynthese und damit für die Energieversorgung. d.h. der Synthese von Zucker und Stärke verantwortlich. Der Pilz liefert das dazu nötige Wasser und sorgt für einen festen Halt auf der jeweiligen Oberfläche. Überdies schützt er die Gemeinschaft vor Austrocknung und schädigender Sonneneinstrahlung. Die Flechte nimmt alle Nährstoffe und Wasser passiv durch ihre Oberfläche auf und benötigt daher keine Wurzeln. Sie ist dadurch auch den Schadstoffen der Umgebung ungeschützt ausgesetzt. Sie können nicht wieder abgegeben werden und sammeln sich in der Flechte an. Auf diese Weise können sie Aufschluss über die Luftbelastung der jeweiligen Umgebung geben.
Da die Flechten auf die zufällig anfallenden Wassermengen (Regen, Tau und Wasserdampf) angewiesen sind, findet die Hauptwachstumszeit in den feuchten Monaten des Jahres statt. Gegebenenfalls müssen sie sehr lange Trockenperioden überdauern. Dabei können sie ihren Stoffwechsel vollständig einstellen und in eine Art trocknen Dornröschenschlaf übergehen. Ihr durchschnittliches Wachstum vollzieht sich daher relativ langsam. Sie wachsen nur 1-5 mm pro Jahr und können sich so auch nur sehr eingeschränkt von Schäden wieder erholen. Deshalb erkennt man an Flechten auch länger zurückliegende Belastungen der Luft.

Wie Wolken gemacht werden

Früher gaben Kraftwerke vor allem giftige Verbrennungsgase ab. Mit der Abwärme wurden vor allem Flüsse aufgeheizt-beides extrem umweltschädliche Vorgänge. Inzwischen wird die Abwärme in riesigen Kühltürmen zur Verdunstung von Wasser beseitigt. Das sieht man in den teilweise riesigen Dampffahnen, in denen der zu kleinen Wassertröpfchen kondensierte warme Wasserdampf in die Umwelt entlassen wird. Die Abgase werden größtenteils durch Filter beseitigt. Dennoch ist auch diese Technik umweltschädigend wie man an dem großräumigen unmittelbaren Eingriff in die natürliche Umwelt auf dem Foto eindrucksvoll vor Augen geführt bekommt. Der Eindruck, dass es sich um eine Fabrik zur Produktion von Wolken handelt, ist nicht ganz von der Hand zu weisen.

Seifenblasen lieben sechs

Im Science Center Universum in Bremen, das ich gelegentlich besuche, so wie man einen Park oder ein Kunstmuseum immer mal wieder aufsucht, werden alltägliche Gegenstände und Vorgänge oft allein durch die Art wie sie in Szene gesetzt werden auf meist herausfordernde Weise hinterfragt.
Hier Blickt man auf eine Doppelglaswand zwischen deren Scheiben sich Seifenblasen teilweise zu Schaum zusammengetan haben. Das hat den Vorteil, dass sich mehrere Blasen eine Wand teilen und dabei Grenzflächenenergie einsparen können. Denn für die Integration einer Glasscheibe ist weniger Energie nötig als für die Ausbildung einer eigenen Lamelle mit der Luft. Wenn es die Situation ermöglicht, werden die Schaumpolygone eine hexagonale Struktur annehmen, weil in diesen Fällen die Grenzfläche minimal ist. Die ist an einigen Stellen ansatzweise realisiert (siehe den Ausschnitt im unteren Foto).
Überdies sollte nicht vernachlässigt werden, dass die Struktur ästhetisch ansprechend ist. Es vereinigen sich hier wieder einmal die Notwendigkeit zur Energieminimierung des Systems (maximal viel Energie an die Umgebung abzugeben (2. Hauptsatz der Thermodynamik)) und der Zufall, der bei der konkreten Ausbildung der Seifenzellenstruktur eine wesentliche Rolle spielt.

Seerosen mit Riesentropfen

Natürlich fällt zunächst die schöne Seerose ins Auge. Sie präsentiert sich hier einige Zeit nach einem Regenschauer, der seine Spuren in fast perfekt kreisförmigen Wasserlinsen auf den Blättern hinterlassen hat. Die Ursache für die nach Größe und Verteilung eher statistisch verteilten Tropfen ist das Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen der Blattoberfläche und dem Regenwasser zu sehen. Die Blätter zeigen eine deutliche Ablehnung des Wassers (wohl um die Fotosyntheseaktivitäten nicht durch eine flächendeckende Benetzung einzuschränken). Diese Hydrophobie führt dazu, dass sich das Wasser entgegen der Tendenz sich schwerkraftbedingt gleichmäßig über die Blätter zu verteilen auf eine möglichst kleine Fläche zurückzieht. Die kleinste Fläche auf der die größte Menge Wasser unterzubringen ist, ist der Kreis. Wenn die Schwerkraft nicht wäre, würde sich das Wasser noch mehr in Richtung Kugelgestalt aufwölben, wodurch die Kontaktfläche mit dem Blatt noch weiter hätte reduziert werden können.
Immerhin wird der Kontakt zwischen Wasser und Blatt nicht ganz eingestellt. Die „Wasserlinsen“ und die Blattoberfläche ziehen sich zumindest so stark an, dass sie trotz einer gewissen Neigung der Blättter nicht zur tiefsten Stelle rollen/gleiten, sondern dort bleiben, wo sie entstanden sind.
An den hellen Punkten am Rande eines jeden Tropfens, die spiegelnde Reflexionen des Sonnenlichts, sieht man, dass die Sonne schon wieder scheint.

Rätselfoto des Monats August 2021

Wodurch und warum wird die spiegelnde Reflexion auf Teilen des Wassers verhindert?



Erklärung des Rätselfotos des Monats Juli 2021

Frage: Was hält die Burg zusammen?

Antwort: In trockenem Zustand rinnt Sand durch unsere Finger. Kaum gerät Sand jedoch mit Wasser in Berührung, fließt er nicht mehr und lässt sich in nahezu beliebige feste Gestalt bringen. Wenn sich trockener, also von Luft umgebener Sand mit Wasser verbindet, wird dabei verhältnismäßig viel Grenzflächenenergie an die Umgebung abgegeben. Und da die Natur bestrebt ist, soviel Energie wie unter den gegebenen Bedingungen möglich ist, an die Umgebung abzugeben, werden so viel Sand wie möglich mit Wasser benetzt und dabei so viele Sandkörner wie möglich miteinander verbunden. Wollte man die Körner wieder voneinander trennen und damit die energiereicheren Grenzflächen zwischen Luft und Sand wieder herstellen, müsste man die bei der Benetzung abgegebene Energie wieder zurück in das System stecken. Die dazu nötige Kraft ist Ausdruck der Steifigkeit und Festigkeit des nassen Sands. Durch die z.B. von der Sonne geförderte Verdunstung des Wassers wird der Sand allmählich wieder trocken und die Burg zerfällt.

Luftzug – heißer als unbewegte Luft

Von Zeit zu Zeit freue ich mich, hier kurze Beschreibungen von Naturphänomenen kommentieren zu können, die von Schriftstellerinnen und Schriftstellern stammen. In vielen Fällen sind es erstaunlich exakte Beobachtungen, denen nichts hinzuzufügen ist. Manchmal sind es Beschreibungen, die haar scharf daneben sind – vermutlich, weil sie am Schreibtisch erdacht wurden.
Die folgende Beschreibung von Vicki Baum (1888 – 1960), die heute kaum noch bekannt ist, beschreibt ein Phänomen, das offenbar ihrer Intuition widerspricht. Sie ist aber so redlich es trotzdem so zu bringen, wie sie es erlebt:

Es war heiß, seit vierzehn Tagen lag die Hitze dick über den flimmernden Wiesen, manchmal stand ein Luftzug auf, der sonderbarerweise noch heißer war als die unbewegte Luft.*

Ein Mensch empfindet bei großer Hitze einen Luftzug normalerweise als kühlend, selbst wenn die Temperatur der bewegten Luft dieselbe ist wie die der heißen Umgebung. Beim Schwitzen wird das vom Köper abgegebene Wasser (Schweiß) verdunstet. Die dazu nötige Energie wird vor allem dem Körper entzogen, wodurch dieser sich entsprechend abkühlt. Bei stehender Luft kommt das Schwitzen und das damit verbundene Verdunsten zum Stillstand. Denn der Wasserdampf bleibt in unmittelbarer Nähe des Körpers, wodurch die kühlende Verdunstung eingeschränkt wird. Durch einen Luftzug werden die den Körper umgebende Luft- und Wasserdampfschicht partiell weggeweht und durch „trockene“ Luft ersetzt – das kühlende Schwitzen kommt erneut wieder in Gang.
Wenn allerdings die Umgebungstemperatur die Körpertemperatur übersteigt, dann wird – in einer begrenzten Zeitspanne – die Luftschicht in unmittelbarer Nähe des Körpers auf Körpertemperatur abgekühlt. Wird diese – wegen der Bewegungslosigkeit stationäre – isolierende Luftschicht um den Körper herum durch bewegte heiße Luft durchbrochen, gelangt sie an den Körper und heizt ihn entsprechend auf. Es ist wie in der Sauna. Wenn jemand mit dem Handtuch wedelt, so kann dies als unangenehm heiß empfunden werden.


 * Vicki Baum. Die Strandwache. Novellen. München 1985, S. 178

Vanitas vanitatis – ein Zeitkunstwerk

Stein ist der Inbegriff von Solidität und Haltbarkeit. Nimmt man jedoch eine längere Zeitspanne hinzu, so ergibt sich auch der Stein den Einwirkungen von Wind, Wetter, Gravitation usw. geschlagen. Auf diesen Sachverhalt möchte der Künstler des im Foto abgebildeten Exponats aufmerksam machen. Wir haben es also mit dem seltenen Fall eines Kunstwerks zu tun, das nicht wie üblich über die Zeiten hinweg durch aufwändige Restaurierungsarbeiten möglichst in seinem ursprünglichen Zustand gehalten wird, sondern dem normalen Gang der Zeit überlassen bleibt. Es ist also ein Kunstwerk, das sich verändert und uns durch die Art der Veränderung, nämlich durch den eigenen Zerfall, vor Augen führt, dass auch Gestein nicht ewig in der Form bleibt, in der es einmal war.

Auf dem Steinquader ist eine – vielleicht noch etwas länger als dieser selbst haltbare – Tafel angebracht, auf der man erfahrt, dass das Kunstwerk „Lengericher Kalksteinblock in Eisen“ benannt ist und vom Künstler Jupp Ernst aus Steinfurt im Jahre  2006 gefertigt wurde. Außerdem ist vermerkt: Der Stein zerfällt in absehbarer Zeit. Der Rahmen hält noch eine Weile die Form.
In der Physik wird die mit dem Zerfall einhergehende Entwertung als Ausdruck des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik verstanden. Demnach kann die mit dem Begriff der Entropie erfasste Entwertung eines abgeschlossenen Systems nur zunehmen. In diesem Fall kommt es vor allem darin zum Ausdruck, dass chemische und physikalische „Beindungen“ zwischen den Teilen des Steinquaders gelöst werden und die dabei freiwerdende Energie an die Umgebung abgegeben wird. Schließlich, wenn der Stein dann auch noch der Schwerkraft anheimfällt und zerbröselt, geht auch noch potenzielle Energie an die Umgebung über.

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Schilfrohr nach einer klaren Sommernacht

Es gibt kaum eine Situation, in der die Natur eine hässliche Gebärde an den Tag legt, selbst wenn es den ganzen Tag geregnet hat. Wenn ich mir vorgestellt hätte, wie dasblühende Schilf, der sich sanft den Stromlinien des Windes nachgebend eine äußerst elegante Form annimmt, wohl nach einer kühlen feuchten Nacht aussieht, so wäre ich kaum auf ein Bild gekommen wie auf dem Foto zu sehen. Diesmal gehorcht das Schilf der Schwerkraft, die durch die Belastung des Blüten- und Blätterwerks mit einer verhältnismäßig großen Wasserlast zu einer dominierenden Größe geworden ist, indem es sich in eindrucksvoller Gestalt dem Boden zuneigt.
In der vorausgegangenen klaren Nacht haben sich vor allem die feinen Strukturen des Blütenstands und die dünnen Blätter des Schilfrohrs sehr schnell abgekühlt. Denn aufgrund ihrer Feingliedrigkeit haben sie nur eine geringe Dichte und damit eine auf das Volumen bezogene geringe Wärmkapazität, sodass ihre Temperatur schneller sinkt als bei kompakteren Pflanzen und Gegenständen. Und weil bei großer Feuchte mit der schnell sinkenden Temperatur ebenso schnell der Taupunkt erreicht wird, kondensiert der Wasserdampf der Luft vor allem an diesen Strukturen.
Indem die wasserliebende (hydrophile) Pflanze vor allem im feingliedrigen Blütenstand Kondenswasser aufnimmt, steigt dort einerseits ihre Masse und andererseits „verkleben“ die feuchten Strukturen miteinander, weil sich die Wassertropfen vereinigen. Denn dadurch wird Oberflächenenergie gespart: Mehrere Tropfen zusammen haben eine auf das Wasservolumen bezogene kleiner Oberfläche. Durch diese Vorgänge wird das Schilfrohr kopflastig und neigt sich dem Boden zu. Die durch die Vereinigung entstandenen größeren Tropfen bewegen sich zur tiefsten Stelle und fallen ab, sobald die Schwerkraft die Oberflächenkraft (Adhäsionskraft) mit der die Tropfen an der Pflanze haften übersteigt. Man sieht auf dem Foto einige Tropfen an den Spitzen, bereit abzufallen, sobald das Maß voll ist.
Das ist die physikalische Geschichte, die eine Pflanze nach einer klaren, kühlen Sommernacht erzählen könnte. Ich habe es ihr abgenommen und es gleich versucht in Deutsche zu übersetzen.

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