123 Lösungen Der Effekt der Gefrierpunkterniedrigung (siehe A 26 ) wird im Winter beim Salzstreuen ausgenutzt, damit du dir auch bei frostigsten Temperaturen auf dem Gehsteig nicht die Beine brichst. Warum schmilzt aber das Eis überhaupt? Es ist immer von einer dünnen Wasserschicht umgeben, weil die Randmoleküle keine Nachbarn zum Anhalten haben (B 25.12, S. 47). Das sich auflösende Salz zieht diese Wasserschicht ab, und das Eis produziert sie wieder nach. So wird dieses mit der Zeit immer weniger und es entsteht eine Flüssigkeit, die erst bei sehr niedrigen Temperaturen friert. Als Straßenwärterin oder Straßenwärter muss man bei Frost schnell reagieren und gefährliche Stellen wie Brücken oder Kurven rechtzeitig streuen, damit es nicht glatt wird. Salz hilft, weil es den Gefrierpunkt von Wasser senkt – so bleibt die Straße länger eisfrei. Allerdings kann Salz Pflanzen, Böden und Tiere schädigen. Deshalb sollte man möglichst sparsam damit umgehen oder umweltfreundlichere Alternativen wie Sand, Splitt oder spezielle Salzlösungen verwenden. So sorgt man für Sicherheit und schützt gleichzeitig die Umwelt. Zum Verdampfen der Flüssigkeit ist Wärme nötig, die das Kühlmittel der Umgebung entzieht. In Kap. 24.3 (S. 41) wurde das „Verdampfungskälte“ genannt. Das bewirkt den Kühleffekt. Wenn man durch Druck das Kühlmittel wieder zum Kondensieren bringt, wird die vorher entzogene Wärme als Kondensationswärme wieder frei. Deswegen nennt man den Teil hinten auch Kondensor. Das ist ein so genannter Eis- oder Kältespray. In der Spraydose befindet sich ein Gas, das durch den erhöhten Druck in der Dose jedoch flüssig ist. Wenn man es versprüht, wird es wieder gasförmig. Dazu ist aber Wärmeenergie notwendig, die das Gas der Umgebung entzieht. Auf diese Weise können kurzfristig Temperaturen von –30 bis –40 Grad Celsius erreicht werden. Der Effekt ist derselbe wie beim Verdunsten von Wasser, nur sind die Temperaturen wesentlich niedriger. Durch das Vereisen werden die Nerven unempfindlicher. Der Schmerz wird gedämpft, und der Stürmer kann wieder Tore schießen. Um 1 kg Eis mit 0 °C in 1 kg Wasser mit 0 °C umzuwandeln, sind 334 kJ notwendig. Um das Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen, brauchst du 420 kJ. Um 1 kg Wasser mit 100 °C vollständig zu verdampfen, brauchst du sogar 2256 kJ. Die aufzuwendenden Energien verhalten sich wie 1 zu 1,2 zu 6,7. Während des Schmelzens und während des Kochens steigt die Temperatur nicht, bis der Vorgang völlig abgeschlossen ist. Sobald die Siedetemperatur erreicht wird, wird das Wasser nicht mehr heißer. Die gesamte Energie, die dem Wasser zugeführt wird, führt zur Verdampfung, aber nicht zur weiteren Erwärmung. Das kannst du auch in B 25.43, S. 53 sehen. möglicher Versuchsaufbau: Materialien: • Wasser • Thermometer (für Temperatur) • Hygrometer (für Luftfeuchtigkeit) • Offene Fläche oder Ventilator für Wind Versuchsaufbau: Messe die Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit. Tauche deinen Finger in Wasser, bis er feucht ist. Halte den nassen Finger in den Wind und spüre, wo der Wind weht. Durchführung: Der Wind verdunstet das Wasser schneller auf der Windseite, wodurch der Finger dort kühler wird. Auf der gegenüberliegenden Seite ohne Wind bleibt der Finger wärmer. A 27 A 28 A 29 A 30 A 31 A 32 Mögliche Faktoren: Hohe Luftfeuchtigkeit reduziert den Kühleffekt. Warme Luft und starker Wind erhöhen den Effekt. Erklärung: Der Luftstrom fördert die Verdunstung. In Windrichtung verdunstet das Wasser also schneller, und deshalb wird der Finger in dieser Richtung auch kälter. Dort wo es am kältesten ist, kommt also der Wind her. Ein Kondensstreifen ist eine künstlich erzeugte Wolke, die durch Abgase der Triebwerke eines Flugzeugs entsteht. Seine Entstehung ist ein ziemlich komplizierter Vorgang und wird in der Literatur auch etwas unterschiedlich beschrieben. Die Abgase bestehen unter anderem aus Ruß und Wasser und haben in etwa 400 bis 500 °C. Sie treffen dort auf Luft, die etwa –50 °C hat. Durch die Abkühlung kondensiert oder resublimiert der Wasserdampf und es entsteht eine Schleppe aus Tröpfchen und Eiskristallen, die man vom Boden aus sehen kann. Warum ist Schnee weiß, wenn er doch gefrorenes Wasser ist? Bei Eis geht das Licht gerade durch, ähnlich wie durch eine Glasscheibe. Beim Schnee befinden sich aber viele luftgefüllte Räume zwischen den einzelnen Schneeflocken. An den Grenzflächen zwischen Eis und Luft wird Licht in alle Richtungen abgelenkt, und zwar durch Brechung und Spiegelung. Das Licht der Sonne, das ja weiß ist, wird dabei in alle Richtungen verstreut – und deshalb ist Schnee weiß. Einen ähnlichen Effekt hast du, wenn du in der Badewanne Schaum erzeugst. Auch der erscheint weiß, weil das Licht in ihm millionenfach abgelenkt wird. Und auch Wolken sind aus demselben Grund weiß (siehe Kap. 26.2, S. 56). Eisblumen können an dünnen Fensterscheiben entstehen, wenn es draußen sehr, sehr kalt ist. Dann kann die Temperatur an der Innenseite des Fensters nämlich unter 0 °C sinken und es kann Wasserdampf aus dem Zimmer resublimieren. Derselbe Effekt kann an einem Flugzeugfenster auftreten, weil es in 10 km Höhe außen immerhin rund –50 °C kalt ist. Auch auf Autodächern oder Autoscheiben sind manchmal Eisblumen zu bewundern. Der Effekt ist recht kompliziert. Es hat damit zu tun, dass es hinter dem Flugzeug einen Bereich gibt, in dem der Druck viel geringer als im ungestörten Luftstrom ist. Die Luft dehnt sich daher hinter dem Flugzeug sehr schnell aus und kühlt ab. Und durch diese Abkühlung kommt es zur Kondensation des Wasserdampfs. Man kann also mit freiem Auge den Bereich sehen, in dem der Druck geringer ist, die Luft dünner und kälter und daher auch die kondensierten Wassertröpfchen zu sehen sind. Kapitel 26 Das Wasser verdampft und steigt auf. Am kühleren Deckel kondensiert es wieder und tropft dann ins Glas. Beim Wasserkreislauf ist es ganz ähnlich, allerdings kochen die Meere natürlich nicht. In beiden Fällen wird aber das Wasser zuerst gasförmig und dann wieder flüssig. Die Sonne löst den Wasserkreislauf aus und verursacht die Winde. Deshalb laufen sowohl Wasserkraftwerke als auch Windkraftwerke mit bereits umgewandelter Sonnenenergie. A 33 A 34 A 35 B 32.7 Eisblumen A 36 A 1 A 12 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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