Eisberge und Wachstäler

Erstarren Dichte Volumenänderung Konvektion

Die unterschiedliche Volumenänderung von Wachs und Wasser beim Erstarren ist zu beobachten, wenn Wasser und flüssiges Wachs in kleinen Metallgefäßen (Flaschendeckeln) erstarren.

Abb. 1 

Material

2 Metalldeckel von Sprudelflaschen

geschmolzenes Wachs, z.B. einer Kerze

Hilfsmittel: Gefrierfach oder ‑truhe

Aufbau und Durchführung

Die Deckel zweier Sprudelflaschen werden als kleine Gefäße verwendet. Den einen Deckel füllt man ganz mit flüssigem Wachs und lässt das Wachs bei Zimmertemperatur erstarren. Der andere Deckel wird bis zum Rand mit Wasser gefüllt und in ein Gefrierfach gegeben. Wichtig ist, dass der Deckel auf den Boden des Gefrierfaches gestellt wird. Ist dies nicht möglich, sollte der Deckel zumindest auf bereits gefrorenen Gegenständen, die viel Wasser enthalten, gelagert werden. Das Experiment gelingt nicht, wenn der Deckel im Gefrierfach auf wärmeisolierendes Material gestellt wird.

Das erstarrte Wachs im Deckel ist nach unten, das Eis dagegen nach oben gewölbt (siehe Abb. 1).

Erklärung

Beide Flüssigkeiten beginnen dort zu erstarren, wo sie an die Innenfläche des Deckels grenzen (Erklärung siehe unten). Das Eis bzw. das erstarrte Wachs bildet also eine Schicht zwischen Deckel und Flüssigkeit, durch die der Deckel innen ausgekleidet wird. Idealisiert kann man sich vorstellen, dass die verbleibende Flüssigkeit wieder an dieser Schicht zu erstarren beginnt und die zuvor entstandene Schicht auskleidet. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis das gesamte Wachs bzw. Wasser erstarrt ist.

Das Wachs nimmt im erstarrten Zustand ein kleineres Volumen ein als im flüssigen. Deshalb steht der Flüssigkeit, die nach Bildung der ersten Schicht zurückbleibt, mehr Volumen zur Verfügung als zuvor. Der Spiegel der verbleibenden Flüssigkeit sinkt ab. Entsprechendes geschieht bei Bildung der folgenden Schichten. So entsteht die Mulde im Wachs (siehe Abb. 1).

Wasser nimmt im gefrorenen Zustand ein größeres Volumen ein als im flüssigen. Deshalb steht der Flüssigkeit, die nach Bildung der ersten Schicht zurückbleibt, ein kleineres Volumen zur Verfügung als zuvor. Die Höhe des Spiegels des verbleibenden Wassers steigt. Das Wasser wölbt sich über den Rand des Eises. Entsprechendes geschieht bei Bildung der folgenden Schichten. So entsteht der kleine Eisberg (siehe Abb. 1).

Es ist noch abzuklären, warum Wasser und Wachs an der Innenfläche des Deckels zu erstarren beginnen:

Die Dichte des Wachses nimmt mit steigender Temperatur ab. Deshalb sinkt das kältere Wachs nach unten (Konvektion). Da die Haftreibung zwischen Deckelwand und Wachs sehr groß ist, findet die Konvektion vor allem in der Mitte des Deckels statt. Das Aluminium des Flaschendeckels ist ein guter Wärmeleiter. Deshalb findet an der Grenzfläche zwischen Wachs und Aluminium, d.h. auch an den Wänden ein guter Wärmeaustausch mit der Umgebung statt. Sieht man von der Haut ab, die sich oben an der Wachsoberfläche bildet, beginnt das Wachs also vor allem an Boden und Wand des Deckels zu erstarren.

Bei Wasser leuchtet es nicht unmittelbar ein, dass es an den Wänden des Flaschendeckels zu erstarren beginnt. Wegen der Anomalie des Wassers müsste der Erstarrungsvorgang, wie z. B. in einem Weiher, an der Oberfläche einsetzen. In der Beschreibung des Experiments wird jedoch betont, dass der Deckel direkt auf den Boden des Gefrierfaches gestellt werden muss. So hat er direkten Kontakt mit den Kühlspiralen. Da Aluminium ein guter Wärmeleiter ist, gibt der ganze Deckel, d.h. auch die Wände, schnell Wärmeenergie an die Kühlspiralen ab. Wände und Boden des Deckels entziehen ihrerseits dem benachbarten Wasser schnell Wärmeenergie, so dass dieses erstarrt, bevor Konvektion einsetzen kann.

Bemerkungen

Die beiden Situationen, die künstlich mit Wasser, Wachs und Flaschendeckeln hergestellt wurden, finden sich auch im Alltag wieder.

Die Situation des Wassers ergibt sich, wenn Wasser in einem Eiswürfelbehälter aus Metall in das Gefrierfach gegeben wird. Automatisch versucht man, es dort auf den Boden zu stellen, um es waagerecht zu lagern. Gefriert das Wasser, bilden die entstehenden Eiswürfel „kleine Berge“ aus.

Die Situation des Wachses ergibt sich beim Versuch, Kerzen zu gießen. Dabei stört es sehr, wenn sich das Wachs beim Erstarren stark nach unten wölbt.

Literatur

o. L.