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Wärmekapazität

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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

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.

Blumen der Nacht

Trotz der kalten Nächte der letzten Tage hat der Winter keine Chance mehr, so sehr er auch des Nachts mit kristallinen Blumen (siehe Foto) gegen die sich tagsüber allenthalben entfaltenden botanischen Blumen zu konkurrieren versucht. Denn objektiv wird der jahreszeitliche Wechsel vor allem in der Bahn der Sonne um die Erde oder der Erde um die Sonne – wenn man es denn heliozentrisch beschreiben möchte – festgelegt. Weil die Drehachse der Erde schräg zu dieser Bahn orientiert ist und den Kreiselgesetzen entsprechend auch so bleibt (jedenfalls in absehbaren Zeiten), wendet sich die Nordhalbkugel im Sommerhalbjahr der Sonne zu. Wir erleben das von der Erde aus betrachtet darin, dass die Sonne im Sommer höher steigt und länger über dem Horizont verweilt und angenehme Temperaturen beschert.
Nachts ist es entsprechend umgekehrt. Bei klarem Himmel sind wir stundenlang dem kalten Weltraum ausgesetzt. Dadurch strahlt die Erde Wärme ab und kühlt sich ab. Wegen der großen Wärmekapazität des Bodens und der Gewässer führt diese Abkühlung immer seltener dazu, dass die Temperatur unter den Gefrierpunkt sinkt.
Das gilt aber vorerst noch nicht für Gegenstände mit geringer Wärmekapazität wie das blechernen Dach oder die Scheiben eines Autos. Das gestern Morgen aufgenommene Foto zeigt, dass sich die daran kondensierte Feuchtigkeit auf einem Autodach zu blumenartigen Gebilden kristallisiert, die in merkwürdigen Kontrast zu den jetzt allenthalben immer auffälliger und üppiger aufblühenden echten Blumen gerät.

Strukturen im Schnee

Nach dem kurzen Schneeintermezzo in diesem (bei uns bisher ausgebliebenen) Winter möchte ich noch das im Foto eingefangene Phänomen  nachtragen.
Wenn Schnee zu einer Zeit fällt, in der der Boden noch nicht gefroren und die Lufttemperatur in der Nähe des Gefrierpunkts ist, gibt es die Chance interessante Phänomene zu entdecken. Eines dieser Phänomene ist auf dem Foto zu sehen. Als ob die Natur einen Sinn für ästhetische Gestaltung selbst im Bereich von gepflasterten Gehwegen entfalten würde, werden hier die dünnen Fugen zwischen den Pflastersteinen deutlich mit einem relativ hohen Schneewulst überbrückt und in vielen Fällen auch noch dunkel nachgezeichnet. Weiterlesen

Eine kleine physikalische Nachtgeschichte

Der frühe Frühling in diesem Jahr, der sich gefühlt ja bereits durch den ganzen Winter hindurchzog bringt in diesen Tagen einige botanische Eisblumen hervor. Nachdem vorgestern noch der Löwenzahn seine Blüte in der prallen Sonne entfalten konnte, musste er in der gestrigen Nacht einige kristalline Gäste auf seinen Blütenblättern dulden. In der Nacht sanken die Temperaturen unter Null Grad, sodass der Taupunkt unterschritten wurde: Überschüssiger Wasserdampf kondensierte und/oder resublimierte an feinen Strukturen, so auch an der Löwenzahnblüte. Weiterlesen

Ein Lichtblick am Morgen

Es ist früh am Morgen. Die Straßen liegen noch weitgehend im Schatten. Nur die oberen Bereiche einiger Häuserwände und der blaue Himmel werden bereits von der aufsteigenden Sonne erhellt. Das von einer Häuserwand diffus reflektierte Licht trifft eine ebenfalls noch im Halbdunkel liegende glatte Bank, die es dem Gesetz der spiegelnden Reflexion gemäß in eine bestimmte Richtung weiter schickt und dem, der in dieses Lichtbündel gerät, eine Einladung zum Verweilen ausspricht. Außerhalb des Lichtbündels liegt die Bank genauso dunkel da wie alles andere. Weiterlesen

Zur Schönheit des schmelzenden Eises

Auch wenn seit einigen Tagen Tauwetter herrscht, dauert es eine ganze Weile, bis das Eis auf Teichen und wassergefüllten Behältern völlig verschwunden und in seine vertrautere flüssige Form übergegangen ist. Der Grund dafür liegt einerseits in der hohen Wärmekapazität von Wasser: Das Eis muss verhältnismäßig viel Energie aufnehmen, um vom festen in den flüssigen Zustand überzugehen. Weiterlesen

Ein Blatt als Rettungsboot

schneeisolierung_img_0268rvEs hat geschneit aber der der Schnee bleibt kaum liegen. Die Luft ist zwar kalt, aber der Boden ist noch zu warm. Das liegt daran, dass das Energiespeichervermögen, die sogenannte Wärmekapazität des feuchten Erdreichs so groß ist, dass die sich durch den Kälteeinbruch schnell abkühlende Luft schon einige Zeit brauchen wird, um dem Boden so viel Energie zu entziehen, dass auch dieser unterhalb der Schmelzgrenze abgekühlt ist. Weiterlesen

Die schmale Insel der Behaglichkeit

behaglichkei_rvSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 11 (2016), S. 56 – 58

Erkenntnis und Empfindung
gehen immer Hand in Hand
Friedrich Hebbel (1813–1863) Weiterlesen

Heiße Physik in der Sauna

Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 66/4 (2013) 196-200Sauna

Über die physikalischen Vorgänge in der Sauna und ihre Wirkungen auf ihre Insassen herrschen erfahrungsgemäß sowohl bei Laien als auch bei Studierenden der Physik oft unangemessene und teilweise abwegige Vorstellungen. Dies wird zum Anlass genommen, wesentliche Aspekte der erstaunlichen thermodynamischen Abläufe beim Saunagang qualitativ und auf elementare Weise quantitativ zu beschreiben.

PDF: Sonderdruck kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Schneemuster auf Pflastersteinen

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 42/1 (2011), S. 47

Fällt Schnee auf ein Steinpflaster, so zeichnet er die Fugen und Steine nach. Doch während er in einem Fall auf den Steinen schmilzt, bleibt er im anderen Fall auf ihnen liegen. Welcher physikalische Mechanismus sorgt für dieses unterschiedliche Verhalten?

Den erstgenannten Fall sehen wir im oberen Foto. Hier zeichnet der Schnee die Fugen zwischen den Steinen nach und schmilzt auf den Steinen. Entscheidend für das Zustandekommen dieses merkwürdigen Ordnungsphänomens ist eine Art Nichtgleichgewichtssituation. Der Boden und die darauf ruhenden Pflastersteine haben noch eine Temperatur über dem Gefrierpunkt. Demgegenüber ist die Lufttemperatur so niedrig, dass der Schnee zumindest noch einige Zeit erhalten bliebe, wenn er genügend gut vom Rest der Welt thermisch isoliert wäre. Diese Bedingung ist in den teilweise mit Luft gefüllten Fugen zwischen den Pflastersteinen weitgehend erfüllt. Die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit der Luft verzögert den Transport von thermischer Energie vom Boden zum Schnee derart, dass dieser nicht so schnell den Schmelzpunkt unterschreitet.
Ganz anders ergeht es dem Schnee auf den Pflastersteinen. Diese speichern im Vergleich zur Luft relativ viel thermische Energie (besitzen verhältnismäßig große Wärmekapazität). Diese können sie wegen ihrer ebenfalls im Vergleich zur Luft großen Wärmeleitfähigkeit schnell an den Schnee abgeben. Der Schnee schmilzt infolgedessen zu einem kleinen Rinnsal zusammen, der gerade einmal zu einer Benetzung der Steine führt.
Dass der Schnee nicht einfach die Fugen ausfüllt und sich auf diese Weise ebenfalls der thermischen Energie der Steine aussetzt, ist dem flockigen Aufbau des Schnees zu verdanken. Er überbrückt die Fugen großzügig und bildet daher ein Luftpolster unter sich.
Diese Eigenschaft macht sich auch an anderen Stellen bemerkbar. An der linken Seite im oberen Foto sind zwei Stellen zu sehen, an denen Gras aus den Fugen herausgewachsen und locker mit Schnee bedeckt ist. Dort fehlt der Kontakt zum relativ warmen Boden ebenso wie im Falle der angrenzenden Wiese (oben rechts im Bild), die aus demselben Grund mit Schnee bedeckt ist. Das Fugenmuster des Schnees bleibt jedoch nur so lange erhalten, wie die Steine noch relativ warm sind. Haben sie erst einmal Temperaturen unter dem Nullpunkt angenommen, so bringen sie den Schnee nicht mehr zum Schmelzen. Diese Situation zeigt das untere Foto. Der im Kontakt mit den Pflastersteinen geschmolzene Schnee hat diese nach einiger Zeit so weit abgekühlt hat, dass der nachfolgende Schnee liegen geblieben ist. Dies lassen die etwas erhöhten Schneelinien über den Fugen erkennen.

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