Warum gefriert strömendes Wasser nicht so schnell wie langsam fließendes Wasser

[jogi98990]

Hallo zusammen,

ich bin neu hier in diesem Forum, hoffe das meine Frage hier richtig Plaziert ist.Ich schreibe gerade eine Hausarbeit für mein Studium. Darin geht es um die Bildung von Eis.

Ich möchte gerne unter einer wissenschaftlichen Formulierung beschreiben, warum schnell fließendes Wasser nicht so schnell gefriert, wie langsam fließendes Wasser/stehendes Wasser.

Es wäre super wenn ihr mir da weiterhefen könntet. Lektüren habe ich schon durchforstet und auch einiges zu dem Thema gefunden, doch immer nur schwer verständlich. Vllt. könnt ihr es mir besser erklären.
Ich bin dankbar für jede Antwort von euch.

Grüße Jogi

[andre091275]

in fließendem wasser bewgen sich die moleküle sehr schnell und deswegen gefriert es nicht so schnell, denn im eis sind die moleküle bewegungsunfähig

[DrStupid]

Gewässer kühlen sich ab, indem sie an der Oberfläche Wärme an die kältere Umgebung abgeben. Wie schnell sich die Oberfläche dabei abkühlt, hängt unter anderem davon ab, wie stark das kalte Oberflächenwasser mit dem noch warmen Wasser aus tieferen Schichten vermischt wird. Je schneller das Gewässer fließt, desto stärker ist diese Vermischung und umso langsamer kühlt sich die Oberfläche ab.

[Anonym_c4a7dee8cfc5]

Hi,

denn im eis sind die moleküle bewegungsunfähig.

Das ist nicht ganz Richtig. Molekularbewegungen enden erst mit erreichen des absoluten Nullpunkts bei 0°K

Gruß vom Raben

[Anonym_c4a7dee8cfc5]

Hi,

Gewässer kühlen sich ab, indem sie an der Oberfläche Wärme an
die kältere Umgebung abgeben.

So weit korrekt

Wie schnell sich die Oberfläche
dabei abkühlt, hängt unter anderem davon ab, wie stark das
kalte Oberflächenwasser mit dem noch warmen Wasser aus
tieferen Schichten vermischt wird.

Ja, dabei kommt die Konvektion zum Tragen und dann auch noch die Dichteanomalie des Wassers.

Reden wir von einem statischen Wasser, Tümpel, Teich oder See, so ist auch da ein Punkt erreicht, an dem dieser durchfriert.

Bei strömenden Gewässern spielt aber die Energie eine Rolle. Durch den Höhenunterschied (Gefälle) bekommen diese eine Bewegungsenergie, die dann im Wärme umgewandelt wird. Erster Hauptsatz der Thermodynamik -> Energie geht nicht verloren, sie wird nur umgewandelt.

Selbst ein stehendes Gewässer in Form einer Regenwassertonne kann keine Eisbildung entwickeln, wenn es durchgerührt wird. Durch das Rühren wird dem Wasser Energie zugeführt, welche das Einfrieren verhindert.

Gruß vom Raben

[DrStupid]

Durch den Höhenunterschied (Gefälle) bekommen diese eine
Bewegungsenergie, die dann im Wärme umgewandelt wird.

Du musst mich erst noch davon überzeugen, dass die 0,0023 K pro Meter Höhenunterschied einen signifikanten Einfluss haben.

[Anonym_c4a7dee8cfc5]

Dann bin ich brennend auf deine Antworten gespannt.

Gruß vom Raben

[DrStupid]

Dann bin ich brennend auf deine Antworten gespannt.

Das überzeugt mich nicht.

[Anonym_c4a7dee8cfc5]

Eine Herausforderung auf eine dezidierten Antwort und dann dieses Statement:

Das überzeugt mich nicht.

bedeutet für mich ein Armutszeugnis. Nur antworten damit die Luft scheppert ist wie Fußfäule - absolut überflüssig.

Na dann lass mal lesen.

Gruß vom Raben

[DrStupid]

Das überzeugt mich nicht.

bedeutet für mich ein Armutszeugnis.

Deine Selbstkritik in allen Ehren, aber ich hätte von Dir lieber etwas zum Thema gehört. Wenn da auch weiterhin nichts kommt, dann gehe ich davon aus, dass da auch nichts ist.

[Balazs]

Durch den Höhenunterschied (Gefälle) bekommen diese eine
Bewegungsenergie, die dann im Wärme umgewandelt wird.

Du musst mich erst noch davon überzeugen, dass die 0,0023 K
pro Meter Höhenunterschied einen signifikanten Einfluss haben.

Ist das dein Ernst? Muss er das wirklich, nicht Physikunterricht genossen?
Aber, wenn du ne bessere Erklärung hast, dann teile sie uns mit bitte.
Sie werden wir, dann genüßlich, unter die Lupe nehmen, versprochen:smile:))

[DrStupid]

Du musst mich erst noch davon überzeugen, dass die 0,0023 K
pro Meter Höhenunterschied einen signifikanten Einfluss haben.

Ist das dein Ernst?

Ja.

Muss er das wirklich, nicht Physikunterricht genossen?

Das ist wohl eher ein Fall für den Deutschunterricht.

Aber, wenn du ne bessere Erklärung hast, dann teile sie uns mit bitte.

Das habe ich bereits in meinem ersten Beitrag getan.

[falken]

Hallo DrStupid,

der geringe Zahlenwert verblüfft, so dass ich nachgerechnet habe 0,00234 K.
Demnach bringt selbst ein Wasserfall kaum nennenswerte Energie ins Wasser mit C= 4,18 kJ/kg/K

* für den Einwand und Grüße

Thomas

[Uwi]

Hallo,
deine Einwände sind nur reine Behauptungen, die nix mit der Realität zu tun haben.

Selbst ein stehendes Gewässer in Form einer Regenwassertonne
kann keine Eisbildung entwickeln, wenn es durchgerührt wird.
Durch das Rühren wird dem Wasser Energie zugeführt, welche das Einfrieren verhindert.

Da mußt du aber mächtig rühren.
Trotzdem wird es dazu dazu kommen, dass der Rührer einfriert, nur eben bei ein ein paar Grad niedrigeren Umgebungstemp. Oder die Kraftwirkung des Rührers ist so enorm, dass er auch das gefrierende Eis immer wieder zerbricht. Dann gibt es wohl Eispulver.

Übrigens, bei richtigem Frost frieren auch reißende Bäche und Wasserfälle komplett ein.
Um das zu sehen, muß man noch nicht mal nach Alaska fahren.
Gruß Uwi

[Uwi]

Hallo,

Ich möchte gerne unter einer wissenschaftlichen Formulierung
beschreiben, warum schnell fließendes Wasser nicht so schnell
gefriert, wie langsam fließendes Wasser/stehendes Wasser.

das wird doch in erster Linie dadurch begründet sein, dass ständig warmes Wasser nachfließt.
Wäre dieses Wasser schon nahe dem Gefrierpunkt, dann würde es schon nahe der Quelle festfrieren und kämme flussabwärts nicht mehr als flüssiges Wasser an.

Dass auch im Winter rel. viel warmes Wasser bergab fließt, liegt wohl daran, dass Quellwasser aus der Erde bzw. aus den Bergen kommt und dort auf Grund der gewaltigen Wärmekapazität auch im Winter kaum kälter als im Sommer zu Tage strömt.
Gruß Uwi

[Nemo]

Hallo.

Strömendes, sich bewegendes Wasser ist ständiger Reibung ausgesetzt,
Dabei entsteht aus einem Teil der Bewegungsenergie Wärme, die das Gefrieren verhindert.

Gruß, Nemo.

[Balazs]

Das ist wohl eher ein Fall für den Deutschunterricht.

Bemerkenswerte Argument.

Na dann sehen wir mal deine Erklärung an:

Wie schnell sich die Oberfläche dabei abkühlt, hängt unter anderem davon ab, wie stark :das kalte Oberflächenwasser mit dem noch warmen Wasser aus tieferen Schichten :vermischt wird."

Ja. und von den anderen halt. Die ja auch immer da sind.

Je schneller das Gewässer fließt, desto stärker ist diese Vermischung

Wenn irgendwas da im Wege steht dann, sonst nicht. Und darauf kommt es an.
Denke jetzt an Jule:smile:
Er hat schon das Wasser ganz präzise „gemischt“ und dadurch ein interessantes Naturgesetz erkannt.
Und dieses Effekt ist nicht zu vernachlässigen.
Hängt nur von den Geschwindigkeit und von den Hindernissen ab.
Und da sind gewaltige Unterschiede.

und umso langsamer kühlt sich die Oberfläche ab."

Spielt da nicht die Tempunterschied genau eine umgekehrte Rolle?

Nun machen wir mal ein Gedankenexperiment statt Deutschunterricht.

Es sei gegeben die gleiche Menge ans Wasser unter den gleichen thermischen und sonstigen Voraussetzungen. Der Unterschied ist nur, dass eines fliest und wird dadurch auch gemischt dh. an ihm wird mechanische Arbeit verrichtet.

Welches friert erst zu?
Wenn ich die Umstände fein regulieren kann, dann wird das fliesende nie aber das stehende wohl einfrieren.
Stimmt das nicht, und wenn, dann warum?

[DrStupid]

der geringe Zahlenwert verblüfft, so dass ich nachgerechnet
habe 0,00234 K.

Ich habe jetzt auch nachgerechnet, wie sich das auf das Einfrieren auswirkt. Als Beispiel für einen schnell fließenden Fluss habe ich den Rhein genommen. Der hat eine Fließgeschwindigkeit von bis zu 2,9 m/s und im Oberlauf ein Gefälle von 1:400. Das ergibt einen maximalen Höhenverlust von rund 0,007 m/s, was zu einer Erwärmung um 17 µK/s führt.

Um den Einfluss der Erwärmung und der Durchmischung zu vergleichen, habe ich die Abkühlung der Oberfläche bei einer Ausgangstemperatur von 4 °C (das führt bei einem stehenden Gewässer zu einer stabilen Schichtung) und einer Lufttemperatur von -4 °C (weil das so schön symmetrisch ist) für folgende drei Fälle berechnet:

1. keine Durchmischung und keine Aufheizung
2. keine Durchmischung und Aufheizung
3. vollständige Durchmischung und keine Aufheizung
4. vollständige Durchmischung und Aufheizung

Dabei habe ich zusätzlich folgende Werte verwendet:

Dichte des Wassers: 1000 kg/m³
spezifische Wärmekapazität des Wassers: 4182 J/(kg·K)
Wärmeleitfähigkeit des Wassers: 0,5562 W/(m·K)
Wärmeübergangskoeffizient von Wasser zu Luft (bei leichtem Wind): 25 W/(m²·K)
mittlere Wassertiefe: 1 m
Kein Wärmeübergang zwischen Wasser und Flussbett.

Damit erhalte ich folgende Zeiten bis zum Erreichen des Gefrierpunktes:

1. 6248 s
2. 6664 s
3. 115945 s
4. 262837 s

Das bedeutet, dass die Durchmischung hier eindeutig der dominierende Faktor ist. Zwar verlängert die Aufheizung die Zeit bis zum Einfrieren mit Durchmischung auf mehr als das doppelte, aber ohne die Durchmischung richtet sie so gut wie gar nichts aus. Das ändert sich erst bei sehr flachen Gewässern mit großem Gefälle, wie z.B. Gebirgsbächen. Wenn das Wasser flach und schnell genug ist, dann kann der Wärmeintrag sogar so groß werden, dass das Wasser bei ansonsten gleichen Bedingungen gar nicht einfriert.

[Peter_57]

Damit erhalte ich folgende Zeiten bis zum Erreichen des
Gefrierpunktes:

1. 6248 s

Ich nehme an, du hast mit einem Wasserwürfel von 1m Tiefe und 1qm Kontaktfläche gerechnet, der anfangs überall 4°C hatte. Fall 1 Zitat „1. keine Durchmischung und keine Aufheizung“ Zitat Ende gibt in Kontakt Zitat „zu Luft von -4°C (bei leichtem Wind)“ Zitat Ende einen Wasserwürfel mit 0°C Oberflächetemperatur (von wo an es friert) und 4°C Bodentemperatur. Im Mittel also einen Würfel von 2°C. Bei einer Tonne Wasser müssen also 8.364.000 Joule an die Luft abgegeben werden. Bei Zitat „Wärmeübergangskoeffizient von Wasser zu Luft (bei leichtem Wind): 25 W/(m²•K)“ Zitat Ende sind dafür 8.364.000/(25 *4) = 83.640 Sekunden nötig, ein knapper Tag. Meine Frage: Wie kommst du auf soviel weniger, nämlich auf 6248 Sekunden?

[DrStupid]

Wie kommst du auf soviel weniger, nämlich auf 6248 Sekunden?

Ich habe die Wassersäule in 1 mm dicke Schichten zerlegt und dann den Wärmetransport zwischen diesen Schichten simuliert. Das läuft auf eine numerische Lösung der Wärmeleitungsgleichung nach dem Differenzenverfahren hinaus. Im Ergebnis strebt die Temperatur mit zunehmender Tiefe nicht wie von Dir angenommen linear, sondern eher exponentiell gegen den Startwert. Während die Oberfläche bereits den Gefrierpunkt erreicht, fängt das Wasser in 10 cm Tiefe noch gar nicht richtig an sich abzukühlen. Das liegt an der geringen Temperaturleitfähigkeit des Wassers und führt dazu, dass unter diesen Bedingungen die Zeit bis zum Einfrieren für alle Wassertiefen von mehr als 10 cm gleich ist.

Deine Rechnung funktioniert bestenfall in einem Bereich, in dem das Temperaturprofil hinreichend linear ist. Beschränkst Du Dich auf die oberen 10 cm, dann landest Du zumindest schon mal in der richtigen Größenordnung.