Wärmetransport

Gebrochene Symmetrie

Nachdem sich der Frost weitgehend zurückgezogen hat, können wir seine langsam vergehenden Hinterlassenschaften bewundern. In diesem Foto ist der Rand eines bewegten und nur teilweise zugefrorenen Gewässers zu sehen, dass durch irgendwelche Hindernisse bedingt zu dieser doppelflügeligen Form gewachsen ist. Interessanterweise ist der Strukturierungsprozess noch nicht abgeschlossen. Der Phasenübergang vom festen in den flüssigen und gasförmigen Zustand ist im vollem Gange und er läuft alles andere als einheitlich ab. Da das Schmelzen zudem relativ viel Energie erfordert, dauert es eine ganze Weile bis merkliche Veränderungen zu beobachten sind. Natürlich passiert in diesen Tagen an allen vereisten Stellen etwas Ähnliches.

Eine Bank lädt aus

Vor einigen Tagen hat mir Claudia Hinz diese schöne Aufnahme von einer Sitzbank geschickt. Der Anblick stimmt uns sofort auf den (vielleicht) bevorstehenden Winter ein, insbesondere dann wenn man sich auf diese Bank setzt. Ich würde das allerdings nicht empfehlen. Zwar sind die Eisstacheln relativ harmlos, sie schmelzen sofort dahin, sobald ein warmer Hintern die dazu nötige Schmelzwärme liefert. Aber genau das ist das Problem. Denn vermutlich würde die Wärmeabgabe, die zum Schmelzen (also der Überführung der Eiskristalle in Wasser) nötig ist, einen drastischen Eingriff ins Wohlbefinden dieses empfindlichen Körperteils führen, zumal das entstandene Wasser zumindest normale Textilien durchtränkt und auf diese Weise die Wärmeleitung zusätzlich „befeuert“. Wenigstens im Prinzip, wie Physiker oft zu sagen pflegen.
Außerdem – und das scheint mir noch schlimmer zu sein – würde man ein seltenes, naturschönes Gebilde unwiderruflich zerstören und das auch noch mit dem Hintern. Welcher Kunstverständige könnte das schon mit seinem Gewissen vereinbaren.
Aber nun im Ernst: Wie kam es überhaupt zu diesem herausfordernden „Naturkunstwerk“?
Ich stelle es mir folgendermaßen vor: Die auf der Bank vorhandenen Regentropfen sind in der kalten Nacht zunächst gefroren, während sich an trockenen Stellen (Rau)reif bildete. Entscheidend ist dabei ja immer, dass Keime vorhanden sind, an denen der Wasserdampf kondensieren bzw. sublimieren (also direkt in Eis übergehen) kann. Die besten Keime sind normalerweise die Eiskristalle selbst, deswegen wachsen sie ja an den Stellen weiter, an denen der Anfang geglückt ist. Wurde den Wassertropfen bereits durch die eisige Verhärtung das innewohnende Verlangen (letzteres ist kein physikalischer Terminus) genommen, kugelförmig zu werden, so erinnert durch den üppigen Eishaarwuchs inzwischen nicht das geringste mehr daran, dass dieses Verlangen überhaupt einmal bestanden haben könnte. Es wäre also durchaus verständlich, dass den Tropfen deshalb die kristallinen Haare zu Berge stehen. 😉

. 😉

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)

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

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.

Unscheinbare Blätter mit interessanter Wirkung

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 52/1 (2021), S. 43

Blätter von Bäumen können als Isolatoren und Absorber von Wärme fungieren und dank dieser Eigenschaft im Winter zu auffälligen und physikalisch interessanten Erscheinungen führen.

 Eigentlich gehören die im Herbst abgeworfenen Blätter nicht in den Winter. Sie werden auch kaum wahrgenommen. Es sei denn, sie stellen sich für eine auffällige physikalische Demonstration zur Verfügung.
Im vorliegenden Fall hat es zum ersten Mal geschneit. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Oktober 2020

Wie kommt es zu diesen Verzerrungen?

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Kalte Pfützenkunst

Zuerst lag ein etwa 15 cm langer Kieselstein in einer Wasserpfütze. Bevor das Wasser versickerte, fror die Pfütze zu  und der Stein verschwand unter einer Eisschicht. Man konnte ihn aber weiterhin durch das transparente Eis hindurch sehen. Unter dem Eis versickerte das Wasser und der Stein wurde allmählich trocken gelegt. Dann kamen die sonnigen Tage. Der Stein absorbierte die Sonnenernergie, erwärmte sich und gab die Energie u.A. als Wärmestrahlung wieder ab. Dadurch schmolz ein Loch in die unmittelbar darüber befindliche Eisschicht.
Als die Sonne untergegangen war und die kalte Luft wieder die Oberhand gewann, bildeten sich auf dem noch feuchten Rand des Lochs große Eiskristalle, die von außen nach innen wuchsen, so als wollten sie das Loch wieder schließen. Weiterlesen →

Grenzerfahrungen zwischen Eis und Schnee

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 1 (2019), S. 64 – 65

Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt bewirkt ein Hin und Her zwischen Schmelzen und Gefrieren im Schnee einen erstaunlichen Reichtum an eisigen Strukturen.

Nebeneindrücke sind
wieder einmal das Bestimmende
Robert Musil (1880–1942)

In unseren Breiten sind harte Winter selten. Wenn es einmal geschneit hat, dauert es oft nicht lange bis zum nächsten Tauwetter. Es lohnt sich allerdings, die Phänomene in dem Grenzbereich zwischen Fest und Flüssig aufmerksam zu beobachten. Weiterlesen →

Eine letzte Pracht

Was schon abgeschrieben, der entgültigen Fäulnis übergeben schien, erhält im Zusammenspiel von kristallenen Reifrändern und dem Licht der Sonne eine letzte Schönheit und Grazie, die dem vergangenen Grün des letzten Sommers ästhetisch gesehen in kaum etwas nachsteht.

Der Reif setzt sich an den Rändern ab, um die Formen der Blätter nachzuzeichnen und im Licht der Sonne zu einem Kunstwerk zu gestalten. So kann man es sehen. Wem diese „Erklärung“ nicht ausreicht, schaue sich einen früheren Beitrag an.

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 →

Mit Kristallen umkränzt

Manches, was man schon nicht mehr beachtet, weil es längst verblüht ist, erwacht tiefgekühlt und mit weißen Rändern hervorgehoben zu neuer winterlicher Schönheit. Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Januar 2014

Wie kommt es zu dieser Struktur im Eis?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Weihnachtsbäume aus Raureif

Heiße Physik in der Sauna

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

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)

Temperierende Atemluft

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/1 (2012), S. 52 – 53

Durch Darüberblasen lassen sich Dinge sowohl erwärmen als auch abkühlen. Wie das?

Was? … du bläsest aus einem Munde warm und kalt?
Geh, mit dir mag ich nichts zu tun haben!
Aesop (um 600 v. Chr.)

http://www.spektrum.de/alias/dachzeile/temperierende-atemluft/1130110

Thermische Muster an Wänden

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 35/6, 289 (2004)

Die Natur bringt manchmal erstaunliche Muster hervor, hinter denen sich interessante physikalische Vorgänge verbergen. Im vorliegenden Fall geht es um thermische Muster. Sie entstehen durch thermische Bedingungen an Begrenzungen von Wänden.

PDF: Thermische Muster an Wänden

Leben im Wärmebad

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik 37/5, 30 (1988).

Der Mensch ist ein Warmblüter. Seine Körpertemperatur ist in der Regel höher als die Umgebungstemperatur und muß in relativ engen Grenzen gleich bleiben. Sie beträgt bei einem gesunden Menschen etwa 37 Grad Celsius, und darf nur geringfügig davon abweichen. Steigt die Körpertemperatur über 42 Grad hinaus oder sinkt sie unter 32 Grad, so kann es zu unwiderruflichen Schäden bis hin zum Tod kommen. Der Mensch muß daher über ein ausgeklügeltes Sensorium, den Wärmeempfindungen, verfügen, das ihn stets über die jeweils herrschenden thermischen Bedingungen ,,informiert“. Wärmeempfindungen, die z.B. eine Veränderung der Körpertemperatur signalisieren, führen in der Regel zu bewußten oder unbewußten Abwehrmaßnahmen…

PDF:Leben_im_Wärmebad