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Wärme

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Froschbadewanne im Freien

Diesen Frosch habe ich eine zeitlang beobachtet. Wenn ich ihm zu nahe kam, floh er zwar, begab sich aber immer wieder zu dieser Stelle zurück. Statt im verhältnismäßig kühlen Wasser zu chillen, macht er es sich in einer Art Badewanne gemütlich, die auf dem Sonnenlicht absorbierenden Seerosenblatt deutlich wärmer ist. Natürlich fällt auch Sonnenlicht in den übrigen Teich und wird zum großen Teil absorbiert. Aber die Wasserfläche ist im Verhältnis zum Wasservolumen deutlich kleiner als bei der Froschbadewanne. Und daher erhöht sich die Wassertemperatur wesentlich langsamer.

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Wie Kleidung knitterfrei wird

Photo by cottonbro on Pexels.com

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 8 (2022), S. 68

Wenn man alle seine Falten entfalten könnte
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716)

Beim Bügeln verstärken sich Druck, Wärme und Feuchtigkeit gegenseitig. Für eine gewisse Glättung reichen schon die physikalischen Eigenschaften des Materials an sich, doch vor allem der Dampf kommt erst dank der Faserstruktur des Gewebes voll zur Wirkung.

Seit Jahrhunderten fühlen sich die Menschen in glatt fallenden Gewändern am besten gekleidet. Darum entstanden mit der Zeit aufwändige und durchaus brandgefährliche Techniken gegen die Falten, die im Alltag in Textilien entstehen. Heutzutage ist das Bügeln vielleicht nicht die beliebteste Haushaltstätigkeit, aber zumindest keine große Mühsal mehr: Man schaltet das elektrische Eisen ein und lässt unter leichtem Pressen den heißen Dampf zwischen Gerät und Gewebe seine Arbeit machen. Alles andere ist eine Frage der Geschicklichkeit.
Beim Bügeln wirken Feuchtigkeit, Wärme und Druck zusammen. Dass es Letzteren braucht, ist wenig überraschend; die ihn unterstützenden Einflüsse von Feuchtigkeit und Wärme haben in der Vergangenheit zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen inspiriert. Diesen zufolge kommt es darauf an, die Bindungen zwischen langkettigen Polymeren innerhalb des jeweiligen Gewebes zu lockern. Durch den Druck und die Wärme werden die gekrümmten Fasern gestreckt und in eine neue, gerade Form gebogen. In vielen Materialien verstärkt Feuchtigkeit den Vorgang, indem sie dazu beiträgt, intermolekulare Verknüpfungen zu lösen.
Allerdings blieben dabei längere Zeit einige wichtige Fragen offen. Insbesondere war unklar, ob es beim Effekt von Feuchtigkeit eher auf das eigentliche Material eines Kleidungsstücks ankommt oder auf die Feinstruktur des daraus hergestellten Gewebes. 2012 hat eine französische Forschungsgruppe das näher untersucht. Zunächst widmete sich das Team um Adrien Benusiglio, der zu der Zeit an der École polytechnique bei Paris promoviert hat, der Entstehung einer einzelnen Falte und deren Rückbildung in einer unverarbeiteten Polyesterfolie. Das ist eine recht repräsentative Referenz, da aus solchen Kunststoffen viele Alltagsgewebe gefertigt werden. Unter reproduzierbaren Bedingungen wurde der Folie ein bestimmter Öffnungswinkel aufgeprägt; anschließend war sie sich selbst überlassen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Falte glättete – übrigens unabhängig von der Schwerkraft –, hing nur vom Material ab. Falten in einem einzelnen Faden und in einem daraus gewebten Stoff zeigen dieselbe Dynamik. Bei dem Verhalten kommt es vor allem auf die elastische Rückstellkraft des Materials an sich an.
Anschließend kamen Knicke, jeweils in der Folie und im faserigen Gewebe, in eine Feuchtigkeitskammer bei einer zunehmenden Wasserdampfkonzentration. Im Textil bogen sie sich nun umso schneller zurück, je größer die Feuchte war. Demgegenüber hatte diese im unverwobenen Material keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Entfaltung, selbst wenn es sich um eine einzelne, mikroskopisch feine Faser handelte. Die Wirkung des Wasserdampfs ist zumindest bei den untersuchten Polyestern also auf die Webstruktur zurückzuführen und nicht etwa auf mögliche Veränderungen bei den Eigenschaften der einzelnen Fäden. Baumwoll- oder Leinenfasern saugen im Gegensatz zu Kunststoff Wasser auf, was deren Geschmeidigkeit weiter erhöhen und den Vorgang unterstützen dürfte.
In jedem Fall sorgen für den glättenden Einfluss der Feuchtigkeit die Bereiche, in denen die einzelnen Fäden im Gewebeverbund miteinander in Kontakt stehen. Normalerweise macht Wasserdampf keine Anstalten zu kondensieren, solange der Wert der absoluten Feuchte unterhalb der Sättigungsfeuchte liegt. Innerhalb des feinen Geflechts gibt es jedoch besondere Verhältnisse. Dabei kann ein Teil des Wasserdampfs flüssig werden, selbst wenn seine Konzentration in freier Atmosphäre für eine Sättigung nicht ausreichen würde. Das Phänomen heißt Kapillarkondensation, denn verantwortlich dafür ist anschaulich gesprochen die Enge der aus den Fasern gebildeten Kapillaren: Vermehrte Wechselwirkungen zwischen den Molekülen im Wasserdampf und den Wänden der Fädchen ermöglichen die Verflüssigung. Schließlich stellt sich ein neues Gleichgewicht unterhalb des Werts des äußeren Sättigungsdampfdrucks ein.
Üblicherweise verbinden wir mit dem Begriff Kapillaren röhrenartige, geschlossene Formen. Textilgewebe hingegen können aus einem beliebig begrenzten Raum bezüglich der Umgebung bestehen. Der Effekt ist aber derselbe – entscheidend ist in jedem Fall, wie dicht die benetzbaren Oberflächen beisammen stehen. Das mikroskopische Gedränge erzwingt häufigere Interaktionen zwischen Wassermolekülen und Oberfläche. Es ist für die Absenkung des Sättigungsdampfdrucks ausschlaggebend. Die Kapillarkondensation ist ein schönes Beispiel dafür, dass sich Vorgänge im Nano- und Mikrometerbereich deutlich auf alltägliche Größenordnungen ausweiten können.
Im Rahmen von Benusiglios Veröffentlichung wurde zwar nicht genauer untersucht, welche Rolle Wärme spielt. Die Forschungsgruppe hält es jedoch für plausibel, dass steigende Temperaturen sowohl die elastische Entfaltung wie auch die Kapillarkondensation intensivieren.
Wer häufig auf Reisen ist, kennt den heilsamen Einfluss einer feuchten Umgebung auf die mitgeführte Garderobe. Meist genügt es, ein im Koffer zerknautschtes Kleidungsstück über Nacht im Hotelbadezimmer aufzuhängen, um es am nächsten Morgen wenigstens halbwegs geglättet vorzufinden. Aus dem gleichen Grund zerknittern die meisten Kleidungsstücke beim Tragen kaum. Denn in unmittelbarer Nähe des Körpers ziehen dessen Feuchte und Temperatur so manche kleinere Falte wieder straff.

Quelle
Benusiglio, A. et al.: The anatomy of a crease, from folding to ironing. Soft Matter 8, 2012

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.

Luftkissenboot auf dem Küchentisch

Wir sitzen in der Küche an unserem runden Tisch, der mit einer glatten Marmorplatte ausgestattet ist, und unterhalten uns (oberes Foto). Plötzlich bleibt mir das Wort im Hals stecken, als sich ein Topfdeckel, den ich aus irgendwelchen Gründen kurz vorher auf den Tisch gelegt hatte, wie von Zauberhand bewegt auf die Tischkante und damit auf den Abgrund zu strebt. Ich höre es schon scheppern und wollte gerade zugreifen, als er leicht über die Tischkante hinausragend von selbst stehen blieb. Im Nachhinein hätte ich mir das auch denken können.
Um es gleich vorweg zu sagen, es war nicht der Einfluss böser Kobolde, die in diesen Rauhtagen und -nächten ihr Unwesen treiben. Die Aufklärung lässt sich zum Glück ganz im Rahmen der herkömmlichen Physik geben. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats September 2020

Welche physikalischen Vorgänge führen zu diesen Strukturen?


Erklärung des Rätselfotos des Monats August 2020

Frage: Was passiert hier?

Antwort: Das Foto ist an sich nicht manipuliert, es wird hier nur kopfstehend präsentiert, um das Rätsel auf dem Foto noch etwas zu vertiefen. Dreht man das Foto richtig herum, so erkennt man, dass es sich bei den Bäumen um Reflexionen im Wasser handelt. Indem ein Stein ins Wasser geworfen wurde, machten sich von der dadurch bewirkten Störung der Wasseroberfläche Ringwellen auf den Weg zum Ufer. Das durch die Störung erzeugte Wellenpaket enthält anschaulich gesprochen zahlreiche Wellen, die sich nach dem Ereignis nach Wellenlängen sortieren. Die Wellen mit der größeren Wellenlänge haben eine größere Ausbreitungsgeschwindigkeit und eilen denen mit der jeweils kleineren Wellenlänge voraus. Das gibt dem Ringmuster einen ästhetischen Reiz, der allerdings erst dadurch sichtbar wird, dass das von den umstehenden Bäumen auftreffende Licht den Deformationen der Wasseroberfläche entsprechend reflektiert wird.
In der Mitte sieht man den Reflex eines Baumstamms, dessen quer über das Ringsystem verlaufender Reflex dem Auf- und Ab der Wellen entsprechend als Schlangenlinie erscheint. Der Eindruck der schüsselförmigen Vertiefung des Ringsystems ist eine optische Täuschung aufgrund des umgedrehten Fotos. Denn dadurch wird insbesondere die Perspektive umgekehrt.

 

Ein Eispalast zum Schutze der Pflanzen

Vor allem in Obst- und Weinanbaugebieten kann man in diesen Tagen, bzw. den frostigen Nächten Sprinkleranlagen in Betrieb sehen, die oft zu den lange vermissten Winterlandschaften mit ihren Kristallgärten führen. Dies ist natürlich nur ein ästhetischer Nebeneffekt des durch den künstlichen Regen beabsichtigen Schutzes der bereits Blätter und Blüten bildenden Pflanzen vor Erfrierungen. Auf den ersten Blick erscheint es paradox, dass die kristalline Verzauberung der Pflanzen durch die Beschichtung mit Eis eine Erwärmung der Pflanzen bewirken kann. Weiterlesen

Durchsichtiges Holz

Als ich am frühen Morgen an einem Bauernhof vorbeiging staunte ich nicht schlecht, als das massive Holztor durchsichtig zu sein schien. Jedenfalls zeichneten sich die auf der Innenseite angebrachten Verstrebungen der Tür durch einen dunkleren Farbton deutlich ab, so als ob die von der anderen Seite in den Stall hineinleuchtende Sonne (siehe Lichtstreifen unter dem Tor hindurch) es nur nicht schaffte, die dicken Verstrebungen des Tors zu durchleuchten und aufzuhellen.
Da das Holz des Tors sehr massiv ist, kommt diese naheliegende Erklärung nicht infrage. Dennoch ist die Sonne Verursacherin des Phänomens. Die Außenseite des Tors ist noch nass von einem kürzlich vorausgegangenen Regenschauer. Die noch tief stehende Sonne, die durch das geöffnete gegenüberliegende Tor hindurch scheint, erwärmt die  Innenseite des auf der Außenseite regennassen Tors. Die dadurch bedingt Aufheizung des Tors führt dazu, dass die Wärme als erstes an den dünnen Stellen die Außenseite erreicht und dort die Verdunstung der Regentropfen  beschleunigt.  Dass wir dies überhaupt beobachten können, ist der Tatsache zu verdanken, dass nasses Holz wesentlich dunkler aussieht als trockenes Holz.

Am Rande des schwarzen Lochs…

… ergeht sich die Natur noch einmal in den schönsten Spektralfarben, sortiert nach der Wellenlänge des Lichts. Könnte man angesichts des Fotos meinen – aber es ist viel profaner. Als ich im Anschluss an eine größere Feier die Warmhaltebehälter reinige, fällt mir auf, dass die von den Flammen der Brennpaste berußten Stellen von brillanten Farbringen umgeben sind. Wie entsteht eine solche Kolorierung? Weiterlesen

Libellen sind auch nur Menschen

Konrad Lorenz (1903 – 1989) machte diese Aussage zwar in Bezug auf Graugänse, aber sie gilt meines Erachtes auch für Libellen bzw. genauer Libellenlarven. Als ich gestern bei schönstem Sonnenschein und bitterer Kälte am zugefrorenen Teich saß und mir vorstellte, wie es in ein zwei Monaten sein könnte, sah ich wie sich unmittelbar unter der Eisschicht zahlreiche Libellenlarven unbeweglich mit dem Bauch nach oben sonnten. Zuerst dachte ich, dass sie tot und aufgetrieben seien. Aber heftiges Klopfen veranlasste die eine oder andere ziemlich unwillig wie mir schien einen Stellungswechsel vorzunehmen. Dazu mussten sie sich in die normale Schwimmlage begeben und ihren dunkleren Rücken nach oben drehen. Erst dadurch erkannte ich, dass sie ihren Bauch der Sonne aussetzten. Weiterlesen

Wärmende Abwärme

Da sage noch einer, die Abwärme einer Heizung gehe ungenutzt durch den Schornstein. Auf diesem Foto ziehen zwei Krähen an einem kalten Novembertag unmittelbaren Nutzen aus den periodisch aufsteigenden und den Edelstahlabzug aufheizenden Abgasen. Ich beobachte die beiden eine Zeit lang und stelle fest, dass sie sich nach welcher Regel auch immer, abwechseln. Jeder darf mal auf dem Rand des Abzuges sitzen und sich die warme „Luft“ direkt durch die Federn ziehen lassen. Ja, selbst wenn die Abgase aktiv durch den Schlot ziehen, versuchen die beiden die Stellung zu halten.
Der Schornsteinfegermeister meinte nach der Überprüfung der Heizungsanlage im Spaß, die Anlage sei so sauber, dass man die Luft inhalieren könnte. Interessant, dass den Vögeln offenbar die Wärme so wichtig ist, dass sie die Beeinträchtigungen (Gestank, Geräusch?) über sich ergehen lassen.

Ein alter Reim

Treppe
Ich gehe die Schritte
Und zähle die Zeit.
Der Reim ist verloren.
Ich zähle die Schritte
Und gehe die Zeit.
Der Reim ist verloren
Ich zähle die Zeit Weiterlesen

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