Jeder kennt es, jeder hasst es. Es ist Winter, man muss morgens früh raus, hat eh schon wenig Zeit und dann das: Die Scheiben des Autos sind zugefroren und man verbringt weitere 5 Minuten nur damit das Auto frei zu kratzen. Aufmerksamen Beobachtern ist dabei vielleicht schon einmal aufgefallen, dass nicht alle Scheiben des Autos gleichzeitig zu frieren. Wenn die Temperaturen am Abend fallen ist die Windschutzscheibe eines Autos die erste, die mit einer Eisschicht bedeckt ist noch bevor man bei den Seitenscheiben erkennen kann wie kalt es ist. Doch warum ist das so? Und warum bildet sich überhaupt eine Eisschicht auf den Scheiben?
Letzteres Phänomen will ich als erstes auffassen. Warum friert eine Scheibe zu?
Um das zu verstehen, benötigt man den Begriff und das Verständnis der Luftfeuchtigkeit. Was wir unter Luft verstehen ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Die größten Anteile bilden dabei Stickstoff mit etwa 78% und Sauerstoff mit knapp 21%. Zusätzlich zur Luft befindet sich in der Atmosphäre aber auch Wasserdampf also gasförmiges Wasser. Jetzt werden viele sagen:“ Wasserdampf entsteht doch erst bei 100°C.“ Diese Aussage ist nicht ganz richtig. Wenn nach einem Regenschauer auf dem Asphalt eine Pfütze entstanden ist und danach die Sonne darauf scheint, verschwindet die Pfütze mit der Zeit. Das Wasser der Pfütze wird aber dabei nie auf 100°C erhitzt und versickern kann es im Asphalt auch nicht. Dieser Vorgang wird im Sprachgebrauch oft als „Verdunsten“ bezeichnet. Verdunsten ist der langsame Übergang von flüssigem Wasser in gasförmigen Wasserdampf, der sich dann mit der Luft vermischt. Verdunsten kann bei jeder Temperatur stattfinden, wird jedoch mit steigender Temperatur beschleunigt. Die Luft, die an einer bestimmten Stelle oder in einem Raum ist, kann aber nur eine gewisse Menge an Wasserdampf aufnehmen. Diese Menge ist auch wiederum abhängig von der Temperatur der Luft. Je Wärmer die Luft, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Der Anteil an gasförmigem Wasser in der Luft wird Luftfeuchtigkeit genannt. Die relative Luftfeuchtigkeit, die entscheidende Größe für die Aufnahme von Wasserdampf in der Luft, ist eine prozentuale Angabe wie viel der maximalen Menge an Wasser in der Luft enthalten ist. 25% heißt also, dass die Luft noch viel aufnehmen kann, 100% heißt, das Maximum ist erreicht und ein eventueller Verdunstungsprozess könnte nicht mehr weiter laufen.
Wenn Wasserdampf durch die Luft aufgenommen werden kann muss er ja auch irgendwie wieder abgegeben werden können. Dies geschieht wenn die 100% Marke“ überschritten“ wird. Ist das der Fall, dann kondensiert Wasserdampf aus und wird wieder zu flüssigem Wasser. So entsteht zum Beispiel Regen. Aber wie kann man über 100% kommen? Angenommen die Lufttemperatur liegt während des Tages bei 10°C. Mit der Zeit hat die Luft Wasserdampf aufgenommen und es herrscht eine relative Luftfeuchtigkeit von 80%. Wenn jetzt abends die Temperatur fällt, auf sagen wir mal 1°C, sinkt damit auch die Gesamtkapazität der Luft Wasser aufzunehmen. Die Menge an Wasserdampf in der Luft bleibt gleich, der prozentuale Anteil an Wasser im Vergleich zur maximal möglichen Menge wird allerdings höher und so kann es auch sein, dass der Wert über 100% steigen würde. Da dieses Maximum aber nicht tatsächlich überschritten werden kann, muss ein Teil des Wasserdampfes aus der Luft kondensieren und somit wieder zu flüssigem Wasser werden.
Der Vorgang der Kondensation kann überall stattfinden, bevorzugt jedoch an kalten, glatten Oberflächen. Eine Glasscheibe, wie die eines Autos, ist genau so eine optimale Oberfläche. Sie ist glatt und kühlt schnell ab. Somit bildet sich bei sinkender Temperatur eine dünne Wasserschicht auf der Scheibe, die dann bei weiter sinkender Temperatur zu Eis gefriert. Aber warum passiert das auf der Windschutzscheibe nun früher als auf den anderen Scheiben?
Wie bereits erwähnt kondensiert Wasser bevorzugt auf kalten Flächen – je kälter desto besser. Und hier kommen die verschiedenen Mechanismen des Wärmeaustausches ins Spiel.
Es gibt grundsätzliche drei Möglichkeiten Wärme zu übertragen. Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung. Die Wärmeleitung geschieht zwischen zwei Medien, die in direktem Kontakt zu einander stehen. Der Wärmeübergang erfolgt hier, wie grundsätzlich immer, von warm nach kalt. Wärmekonvektion ist der Wärmeübergang über ein Trägermedium wie beispielsweise Luft. Die Wärme eines heißen Körpers kann von der Luft aufgenommen, transportiert und an anderer Stelle wieder abgegeben werden. Das dritte und hier ausschlaggebende Phänomen ist die Wärmestrahlung. Diese kann ohne Kontakt und ohne Trägermedium stattfinden. Einzig entscheidend für die Wärmestrahlung ist die Temperaturdifferenz vom wärmeren zum kälteren Medium ( warm bedeutet hier nicht unbedingt gefühlt warm, auch ein Temperaturunterschied von -20°C zu -40°C ruft eine Wärmestrahlung hervor).
Die Phänomene Wärmeübertragung und Wärmekonvektion betreffen alle Scheiben des Autos gleicher Maßen. Entscheidend ist also die Strahlung. Die Seitenscheiben eins Autos sind in die unmittelbare Umgebung, wie das nächste Haus, eine Hecke oder eine Mauer gerichtet. Die Windschutzscheibe zeigt Richtung Himmel. Die Umgebung hat in der Regel die Gleiche Temperatur wie die Luft an diesem Punkt, d.h. es liegt keine Temperaturdifferenz vor und somit auch keine effektive Wärmestrahlung. Der Himmel, also entweder Wolken oder bei einer klaren Nacht sogar das Weltall, haben eine deutlich geringere Temperatur. Hier kann also Wärmestrahlung von der Scheibe in Richtung Himmel auftreten. Die Scheibe wird dadurch zusätzlich abgekühlt. Das Resultat ist, dass sich die Windschutzscheibe schneller abkühlt als die Seitenscheiben und somit sowohl die Kondensation des Wassers früher auftritt, als auch das spätere Frieren der Wasserschicht zu Eis.
Die Wärmestrahlung allein ist also dafür verantwortlich, dass die Windschutzscheibe eines Autos schneller zufriert als dessen andere Scheiben.
Verhindern lässt sich dies im Übrigen durch etwas, das zwischen die Scheibe und den Himmel gebracht wird. Einfachstes Beispiel ist die Folie, die man direkt auf die Scheibe legt und in die Türen einklemmt. Diese Bewirkt, das zwischen Folie und Scheibe keine Strahlung mehr auftritt. Die Strahlung findet dann zwischen Folie und Himmel statt, deswegen ist die Folie am nächsten Morgen auch eingefroren und muss zum Trocknen gelegt werden.
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