Szenario bei der Lohmuehle in unserer Stadt:
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Unterhalb des Ueberlaufes eines oberschlaechtigen Wasserades
liegt in ca 3m Tiefe das Bett eines Fluesschens.
In diesen Tagen relativ hoher Temperatur-Minusgrade ist das vom Ueberlauf herabfallende Wasser
zu einem dicken ca 3m langen Eiszapfen gefroren,
waehrend das Fluesschen weiterhin unten 'plaetschernd' vorbeifliesst.
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Ich kann mir folgendes noch nicht eindeutig erklaeren:
Warum gefriert das Fluesschen nicht, welches lediglich eine Tiefe von ca 40cm hat ?
Haengt das mit der von unten nachkommenden Erdwaerme zusammen,
die ins Flusswaser hineingeht,
oder spielt (auch) die Bewegung der Molekuele im fliessenden Wasser fuer das Nicht-Gefrieren die entscheidende Rolle,
und wie laesst sich der Sachverhalt physikalisch exakt beschreiben ?

MfG/dmz.

Gleichgültig, ob das Wasser sich bewegt oder stille steht, ist der Gefrierpunkt bei Null Grad. Es sei denn, es handle sich um mineralisiertes Wasser, z.B. Meerwasser.

Miss doch einfach mal mit einem Thermometer das Wasser im Bach. Vermutlich wird die Temperatur zwischen 2 und 5 Grad plus sein.

Der Eiszapfen, den du erwähnt hast, wird übrigens bei Temperaturen über Null zu tropfen beginnen.

Hallo dmz,
meine Erklärung: Damit sich Eis bildet, müssen bei stehenden Gewässern lediglich die obersten Schichten auf 0�C abgekühlt sein (Eis ist leichter als flüssiges Wasser).
In Bächen und Flüssen bildet sich (wegen der ständigen Vermischung kalter und wärmerer Wasserschichten) erst dann Eis, wenn die Wassertemperatur überall den Gefrierpunkt erreicht hat. Das dauert natürlich länger.

Ist es das, was du wissen wolltest?

Gruß, Ursula

Ihr habt beide ein bischen recht.
Aber mir fehlt bisher als Erklaerung der physikalische Sachverhalt.
Warum hat das Wasser des Flusses mehr Waerme als das Wasser aus dem 3m hoeher liegenden Ueberlauf,
obwohl das Wasser in beiden Faellen aus der selben Flussquelle stammt.
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Woher kommt der Unterschied des jeweiligen Waerme-Potenzials.
Das Wasser des Ueberlaufes hat Luftberuehrung;
das Wasser des Flusses hat Erdberuehrung am Grund und an der Oberflaeche auch Luftberuehrung.
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Ich erinnere mich schwach an einen Begriff 'Enthalpie'.
Hat das damit etwas zu tun ?
Und spielt eventuell die Bewegung der Wasser-Molekuele im Flussinneren eine Rolle fuer das Nicht-Gefrieren des Wassers ?
MfG/dmz.

PS: @schorsch, - selbstverstaendlich hat das Flusswasser eine Temperatur deutlich ueber 0�C, wenn es nicht gefriert;
aber warum ist das Mehr an Waerme vorhanden ? ...

Ich nehme an, das Wasser hat vom Sommer her so viel Reservewärme, dass es lange braucht, es auf null� abzukühlen. Zudem ist das Wasser ja meistens von irgendwo her gekommen, wo genug Wärme vorhanden war. Ich denke an Quellen (Erdreich ist schon 1 Meter Tiefe viel wärmer als an der Oberfläche), oder aus Seen, wo ein Durchfieren bis zum Seegrund kaum vorkommt.

wenn ich mich schwach an die Physikstunden erinnere, dann war die Anomalie des Wassers eine interessante Geschichte.
Es hat bei plus 4�C die größte Dichte. Es sinkt also der Teil des Wassers, welcher auf diese Temparatur (bzw. am meisten)abgekühlt ist nach unten und sorgt so für die Eisfreiheit am Boden eines Gewässers. Wenn jedoch Eis entstanden ist, ist dessen Dichte natürlich wieder geringer, da es kälter als plus 4�C ist und es würde oben schwimmen und ein weiteres Abkühlen durch die Kaltluft bremsen. Sicher hängt die Geschwindigkeit des Gefrierens nicht nur vom Druck ab (unter einem Gletscher kann Wasser noch bei minus 20�C flüssig sein) von den Verschmutzungen des Wassers (Salzwasser gefriert viel später) sondern auch von der Bewegung. Bei ruhendem Wasser kühlt nur die Oberfläche zuerst auf ca 0�C und gefriert. Bei bewegtem Wasser wird immer auch das untrere wärmere Wasser mal an die Oberfläche bewegt und ehe es da gefrieren kann, wieder ausgetauscht.
Das plötzliche Gefrieren eines gesamten Flusslaufes in voller Höhe passiert extrem selten. Dazu muss längerer Zeit dieses bewegte Wasser großer Kälte ausgesetzt sein. Es wird dann zur Eisgriesbildung, Eisschlamm kommen, der normalerweise nur an der Obefläche im Anfangsstadium des Gefrierens entsteht. Eisgries kan die gesamte Kühlanlage eines Kraftwerkes mit Durchflußkühlung zum Stillstand bringen. (Alle Siebe, Rechen und Filter verstopfen)

Zu bedenken ist m.M.nach auch die extrem hohe Wärmekapazität des Wassers und die kinetische Energie des bewegten Wassers.

Hallo, Forumsinteressierte,

eine Ergänzung wäre noch angebracht:
Jedes Gewässer friert immer vom Ufer zur Gewässermitte
und dann in Richtung Grund zu.

Viele Grüße
Arno Gebauer

@ArnoG.:::

Und jedes Gewässer - ob stehend oder fließend -

gefriert von der Oberflaeche her in Richtung Gewässergrund.

Gut für die Fische.

Wär's umgekehrt, müssten diese irgendwann aus dem Gewässer heraus in die Luft springen: fatal ....

MfG/dmz.

Bist Du sicher, dmz, dass auch fließende Gewässer (außer im Bereich geringer Strömung) von oben nach unten zufrieren?
Das habe ich anders in Erinnerung ;-), kann mich natürlich irren ...

@Ursula:
< Bist Du sicher ...
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Ja: - habe diesbezüglich neulich einen TV-Report
über einen Fluß in Sibirien gesehen.
Der dortige Strom Jenessei gefriert bisweilen
an der Fluss-Oberfläche mit einer Eisdecke von bis zu 1 Meter zu,
- und ich gehe davon aus, dass er unter der Eisdecke weiterfließt ... - zum Wohle der Fische.
MfG/dmz.

PS: In Bremen gibt es jedes Jahr eine Eiswette.
Es geht darum vorherzusagen, ob die Weser zugefroren sein wird: an der Oberfläche :-)

Strom ODER zugefroren: - an der Oberfläche wie gesagt .....
Eisdecke wächst und wächst .....
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"Die Eisdecke reicht von Stettin bis südlich von Frankfurt (Oder)"

Kein ungesalzenes oder mit anderen Zutaten nicht kontamiertes Wasser friert oberhalb null Grad zu Eis, ob es nun still oder fliessend sei.

Am Greifswalder Bodden werden die Eisdicken an mehreren Stellen gemessen.
Da, wo ein Bach, Flüsschen in diesen Bodden mündet, ist das Eiswachstum beständig geringer als anderswo. Dort wo wenig natürliche Unterwasserbewegung stattfindet -weg vom Ufer, und von Untiefen- friert das Wasser mehr und schneller, auch in Nähe der sogenannten Fahrrinnen.
So waren die Eisdicken im Winter 62/63 im Hafen Wieck 33cm und im Fahrwasser Fresendorf bei 60 cm.
Gegenwärtig sind die Uferzonen (Flachwasserzonen) bis auf den Grund gefroren. Man könnte Eistraining mit PKW machen, wenns nicht durch umweltpolitische Einschränkungen untersagt wäre.
Leider kann ich seit 3 Tagen nicht mehr Schlittschuh laufen, da durch Schneefall und natürliche, windbeeinflusste Unterwasserbewegungen das Eis sehr uneben geworden ist. Aber kilometerweite Wanderungen sind gut möglich auf der Dänischen Wieck -einer Ausbuchtung des Greifswalder Boddens- Interessant ist auch, das das Eis eine große Isolationswirkung zeigt. So nimmt (bei entsprechender Kälte) die Eisdicke folgendermassen zu.
Bei Eisdicken bis zu 10 cm 4 cm pro Tag
Bei Eisdicken zw. 10 und 20 cm 3 cm pro Tag
Bei Eisdicken zw. 20 und 30 cm 2 cm pro Tag
Bei Eisdicken über 30 cm 1 cm pro Tag.
Diese Werte verringern sich bei auftretenden Strömungen oder bei Schneeauflage wesentlich

hugo, deine letzten Zahlen beweisen, dass Eis eine isolierende Wirkung hat. Das wird ja auch von den Bauern genutzt, die vor Frostnächten ihre Kirschbäume mit Wasser benetzen, damit sich eine schützende Eisschicht bildet.

Dass die Eisfläche, wo du gerne Schlittschuh laufen tätest, so uneben ist, sagt mir, dass das Wasser auch im bewegten Zustand gefriert. Genauer: Auch Wellen gefrieren.

Schorch

absolut reines H2O friert erst bei tiefen Minusgraden, also vollkommen demineralisiertes Wasser.

hallo Techniker,

bist du dir da schon vollkommen sicher?

Bei Normaldruck (760 Millimeter Quecksilbersäule oder 760 Torr) liegt der Gefrierpunkt des Wassers bei 0 �C und der Siedepunkt bei 100 �C.

... und mit Wasser ist reines Wasser gemeint. Durch chemische Zusätze können diese Werte verschoben werden, durch Druckänderungen ebenso.

Was dann als Gefrierpunktserniedrigung und Siedepunktserhöhung bekannt und berechenbar ist.

Schorsch,
die schützende Wirkung der Berieselung für Obstbaumkulturen bei Frost ist auch auf das Freiwerden von Wärme beim Gefrieren zurückzuführen.

Mart

ich bin sicher, bei der allerkleinsten Verunreinigung ist der Effekt vorbei

hallo techniker

Entweder die Werbung von Berieselungsanlagen durchlesen oder die Thermodynamik (Zusammenhang Entropie - Temperatur beim Wasser) nochmals studieren.
:-)

helmut,
das Wasser in den Berieselungsanlagen ist "verunreinigt", jedenfalls im Vergleich mit H2O.

Die Beregnung zum Schutz der Blüten und Knospen vor Frost bewirkt, daß unter dem Eis eine konstante Temperatur von etwa 1/2 Grad erreicht wird - und das bei Außentemperaturen bis etwa minus 9 Grad. Wird die Beregnung unterbrochen kommt es aber zu einem Wärmeverlust durch Verdunstungskälte. Die Temperaturen müssen daher im Laufe des folgenden Tages wieder über den Gefrierpunkt klettern, um ein Abtauen des Eises zu ermöglichen. Die Gefahr, daß durch das Gewicht des Eises die Bäume Bruchschäden erleiden, ist dann zu groß.

Mart

Berieselungsanlagen und dergleichen nutzen Grund- oder Quellwasser. Das hat einen Anteil an geloesten Mineralien und Metallen nebst Clorine und dergleichen.

Das ist kein chemisch reines H2O, das uebrigens auch nicht geniesbar ist.

Das Eis schwimmt haengt mit der Anomalie des Wassers zusammen. Wasser hat die hoechste Dichte bei etwa +3,98 Grad C. Das schwere Wasser ist ohne turbulente Stroemung immer unten am Grund, der ohne Permafrost ebenfalls ueber Null Grad warm ist. Selbst laminare Stroemung (bei niedriger Geschwindigkeit) sorgt nicht fuer eine Durchmischung, die Schichtung des Wassers bleibt erhalten.

Wasser um 0 Grad und Eis ist deutlich leichter und schwimmt deswegen oben auf dem waermeren schweren Wasser. Nur wenn das warme 4 Grad Wasser durch widrige Verhaeltnisse weggespuelt wird und von woanders nicht nachfliessen kann, dann kann Eis auf den Boden sinken umgeben von Wasser um 0 Grad. Der waermere Boden hebt diesen Zustand bald wieder auf und das Eist treibt auf

Ich versteh einfach nicht, was du hier meinst.

Ich erklärte, die Wirkung des Schutzes von Pflanzenkulturen durch Berieselungsanlagen beruht in erster Linie auf der freiwerdenden Energie, wenn flüssiges Wasser von O Grad in den geordneteren Molekularzustand des Eises von 0 Grad gelangt.

Das hat mit Verunreinigung des Wassers aber nichts zu tun.

Solange berieselt wird, kann eine Temperatur von etwas über 0 Grad erreicht werden bei maximalen Tieftemperaturen von etwa minus 9 Grad. Wenn mit der Berieselung aufgehört wird, sinkt die Temperatur.

Das ist es einfach.

Hast ja Recht, mart. Aber ein paar Zusatzinformationen schaden auch nicht.....wir wollen doch immer dazu lernen.

OK, natürlich ja zu jeder zusätzlichen Information -

Ich verstand offensichtlich etwas miß - ich dachte es wird ernsthaft bezweifelt, daß beim Gefrieren von Wasser Wärme frei wird - und das in nicht so kleiner Menge.

Mart

Berieselung ist kein und bietet keinen Frostschutz, sondern nur ein leichter Eisueberzug auf der Pflanze der geringfuegig isoliert. Bei der Berieselung verdampft Wasser, was der Luft hohe Energiemengen entzieht (80 kal/Grad/gr). Vor Erfindung von Kompressoren hat man frueher mit Verdampfung sogar gekuehlt. Allerdings wird die Luft sehr feucht und alles rostet wie verrueckt

Die Abkuehlung der Luft durch die Verdampfung resultiert bei entsprechenden Ausgangswerten in Eiskristallen auf der Pflanze, die sich an Wasserverunreinigungen (Molekuelen) als Keim bilden. Dieser Eisueberzug verhindert, das bei Wind die gefuehlte Kaelte die Pflanze erfrieren laest.

Besonders Zitruspflanzen sind das sehr empfindlich (Orangen, Zitronen, Mandarinen usw.) Die Pflanze speichert viel Wasser in den Blaettern. Sobald das ab -3 Grad einfriert ist der immergruene Baum kaput. Er bekommt nicht jedes Jahr einen neuen Satz Blaetter.

Hallo, Techniker

Du irrst in diesem Punkt, einem eigentlich einfach zu prüfendem physikalischen Problem.

Praktische technische Ausführung siehe angegebenen Link

Physikalische Erklärung: siehe Thermodynamik, Enthalpie, Schmelzwärme
cEis = 2,1 kJ/(kg �C); cWasser = 4,2 kJ/(kg �C); sEis = 335 kJ/kg


Dazu noch eine nette Geschichte im Stil von dem Sprichwort, daß der dümmste/der faulste Bauer die größten Kartoffeln habe:

"Eine Anekdote erzählt, dass Weinbauern der Toskana an einem warmen Frühlingstag ihren Weinberg bewässerten. Am Abend stellten sie wie üblich die Sprühanlage wieder ab; man war der Überzeugung, dass eine Bewässerung bei einem eventuellen Nachtfrost den Blüten schade. Nur ein Winzer folgte nicht dieser Tradition - er fand erst bei Morgengrauen wieder den Weg aus einer Kneipe. Am nächsten Tag zeigte sich dann, dass ausgerechnet sein Weinberg der einzige war, der den überraschend eingetretenen Nachtfrost überstanden hatte."

Quelle: https://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/
umwelt_technik/07obstschutz/obstschutz.htm

mart, auch der Kühl- oder der Gefrierschrank funktioniert nach diesem Prinzip. Wo etwas weggenommen wird - in diesem Fall Wärme - muss anderenorts etwas dazu kommen - in diesem Falle Kälte. Die Summe bleibt immer gleich.

Mart

es genuegt nicht nur Kennwerte irgendwo abzuschreiben.

Die Verdunstungs- bzw. Verdampfungswaerme ist ein uralter Hut, wer das nicht bringt kommt durchs zweite Semster Ingenieurstudium.

Korrektur

kommt nie durchs zweite Semester des Ingenieurstudiums

na, ja ... dann wundert es mich, wie du es geschafft hast. Die alleinige Kenntnis der Verdunstungswärme (??? *g*) wird das Kraut wohl nicht fett machen.

Wenn du es immer noch nicht glaubst, daß bei der Kristallisation Wärme frei wird, dann kaufst du dir einmal diese hübschen, kleinen Beutel, die deine Hände bei Bedarf so schön wärmen können (Latentwärmespeicher).

Ich mache nochmals einen Erklärungsversuch:

Erstarrungswärme (=Kristallisationswärme) wird freigesetzt, wenn ein Stoff von der flüssigen in die feste Phase (Aggregatzustand) übergeht. Auf Grund des Energieerhaltungssatzes ist die freiwerdende Energie gleich groß wie die für das Schmelzen des Stoffes. Das heißt der Phasenübergang, der Aufbau eines Kristallgitters bzw. der Verlust dieser Ordnung, ist mit einer Änderung der Energie (Enthalpie) verbunden. Dabei ändert sich aber die Temperatur nicht. Das heißt, solange flüssiges Wasser gefriert oder auftaut ist die Temperatur des Gemisches 0 Grad.
Die spezifische Phasenumwandlungsenthalpie von Wasser ist relativ hoch, 330 kJ pro kg.
Diese Energie wird frei, wenn 1 kg Wasser vom flüssigen
in den festen Aggregatzustand übergeht.

Ein Vergleich veranschaulicht diese Zahl vielleicht besser:

Bei der Kristallisation von 1 kg Wasser von 0 Grad zu Eis von 0 Grad wird die Energiemenge frei, die etwa 1 kg Wasser zum Erwärmen von 0 Grad auf 80 Grad C benötigt.


Und nun kommt deine Verdunstung ins Spiel.

Wenn die Pflanzen nicht fortdauernd berieselt werden, wird dieser Gefrierprozeß, der eine ziemlich konstante Temperatur unterhalb des Eises von etwa � Grad erhält, natürlich unterbrochen und es kommt zu einem Wärmeverlust durch die Verdunstungskälte.

Deshalb ist die Leistung einer Frostschutzberieselung begrenzt und nur für kurzfristige Spätfröste geeignet. Die Temperaturen müssen im Laufe des folgenden Tages auch wieder über den Gefrierpunkt klettern, um ein Abtauen des Eises zu ermöglichen.

So, das wars, und um auf den Einwand von Schorsch einzugehen. Natürlich wird hier der Energieerhaltungssatz nicht verletzt.

<schorsch antwortete am 21.02.06 (17:59):
<..... auch der Kühl- oder der Gefrierschrank funktioniert nach diesem Prinzip.
<Wo etwas weggenommen wird - in diesem Fall Wärme - muss anderenorts etwas dazu kommen - in diesem Falle Kälte.....
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Gibt es eigentlich die Kaelte ?
Ist der Begriff 'Kaelte' nicht ein Unwort ?

Kälte ist die Abwesenheit von Wärme (:-)

dmz, gute Frage, gibt es eigentlich Kälte?
die gibts wohl nur in unserer Einbildung, Phantasie und unseren beschränkten alltäglichen, von den Altvorderen überkommenen Redegepflogenheiten.
Normalerweise gibts nur Bewegungszustände der Atome und Moleküle usw. als Temperatur, Temperaturdifferenzen und demnach als Wärmezustand benennbar.
Da ich aber im alltäglichem Wettergespräch mit dem Nachbarn nicht mit Geschwindigkeiten der uns umgebenden Atome rumhantieren kann, wirds wohl noch eine Weile bei den Ausdrücken über Wärme lauwarm, hundekalt saukalt, sibierische Kälte, Mißtwetter und dergleichen bleiben.
Kalt, kälter, noch kälter, sind relative wenig aussagende Floskeln.
Da könnte ich einem Stoff bei minus 50�C zehn Minuten lang kräftig Wärme zuführen und ihn auf minus 25�C aufwärmen, dann wird mein Nachbar immer noch von sehr kalt sprechen. Im dümmsten Falle werden wir dann feststellen, es sei doppelt so kalt, wenn es halb so warm ist.
Also für wissenschaftlich, physikalische Betrachtungen stellt der Begriff Kälte eine wenig aussagekräftige Floskel dar. *g*

Wie man allgemein in der Schule schon lernt, ist im Erdinnern eine ungeheure Hitze.
Eines Tages in vielen Millionen Jahren wird diese Hitze ausgestrahlt haben, die Erde wird erkaltet sein. So wird es auch allen anderen warmen Himmelskörpern ergehen. Mich würde interessieren, wie viel wärmer wird das Weltall dann wohl sein?

schorsch, da die Summe der Energieen immer gleich bleibt (die Energie sich höchstens mal als Wärme oder Bewegung zeigt)kann sich die Temperatur des Weltalls kaum ändern.
Sie könnte jedoch ihren Bezugsort im Weltall wechseln.
Dort wo kaum Materie ist (zwischen den Planeten usw.) gibts nur Vakuum und Strahlung also keine Wärmeträger deren Temperaturdifferenzen messbar wären.
Da aber das All auch unendlich groß ist, die vorhandene Energie nie zunehmen kann, sollte man davon ausgehen das die Durchschnittstemperatur gegen Null �Kelvin tendiert.
Auch wenn in einigen Sonnen Millionen Grad Celsius messbar sind. *g*