Das „Knacken“ der Eiswürfel

So langsam erreichen wir teilweise schon wieder sommerliche Temperaturen, so dass man doch gerne mal zu einem gut gekühlten Getränk greift. Direkt aus dem Kühlschrank ist das kein Problem. Was aber wenn das favorisierte Getränk nicht im Kühlschrank stand? Oft werden dann Eiswürfel aus dem Gefrierfach herangezogen, um das Getränk etwas abzukühlen. Wer beim Eintauchen der Eiswürfel in das Getränk schon einmal genau hingehört hat, der hat sicherlich ein signifikantes „Knacken“ wahrgenommen. Aber warum knacken Eiswürfel, wenn man sie in ein Getränk gibt?

Im Grunde liegt das an der Tatsache, dass sich Eis genau wie jeder andere Stoff mit einer Temperaturänderung ausdehnt oder zusammen zieht. Mit steigender Temperatur nimmt die Dichte des Eises ab und es dehnt sich aus. Soweit ganz normal, aber was hat das mit dem „Knacken “ zu tun? Ein Eiswürfel, der aus dem Gefrierfach kommt, hat etwa eine Temperatur von -18 °C. Ein Getränk bei Raumtemperatur etwa 20 °C. Kommt das Eis nun in Kontakt mit dem Getränk, wärmt es sich auf. Allerdings erst einmal nur die äußere Schicht des Eiswürfels. Bis die Wärme des Getränks ins Innere des Würfels gelangt dauert es einige Sekunden. Die äußere Schicht, die jetzt wärmer geworden ist, dehnt sich aus, wobei der Kern des Würfels immer noch kalt und kompakt ist. Die nicht gleichmäßige Ausdehnung des Eises sorgt dafür, dass Spannungen im Eiswürfel auftreten und schlagartig Risse entstehen. Genau das hört man dann als leises Knacken. Wer genau hin schaut, kann die Risse im Eiswürfel auch sehen.

Bei bereits sehr kalten Getränken passiert das nicht oder nur deutlich schwächer. Der geringere Temperaturunterschied zwischen Getränk und Eis lässt die äußere Schicht des Würfels weniger schnell erwärmen und die entstehenden Spannungen sind geringer. Auch wenn der Eiswürfel gerade so erst gefroren ist oder bereits länger außen liegt, wird kein Knacken zu hören sein. In beiden Fällen hat das Eis nämlich nur etwas weniger als 0 °C. Wenn nun die äußere Schicht erwärmt wird, schmilzt sie einfach zu Wasser und hat somit keinen Einfluss mehr auf den Rest des Würfels.

Wenn du dir das nächste Mal ein kühles Getränk gönnst und Eiswürfel benutzt, kannst du ja mal genau hinhören und herausfinden, ob der Temperaturunterschied groß genug ist um das „Knacken“ hervorzurufen.

 

Quellen:

https://www.ja-gut-aber.de/warum-knacken-eiswuerfel-in-getraenken/

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Wie entsteht der Kältekopfschmerz „Gehirnfrost“

So langsam beginnt wieder die Zeit, in der man gerne mal ein Eis essen geht oder zur Erfrischung kalte Getränke zu sich nimmt. Doch beides kann ein unangenehmes Phänomen zur Folge haben: Den sogenannten Kältekopfschmerz oder auch „Hirnfrost“. Aber was genau ist eigentlich die Ursache dieses stechenden Schmerzes im Kopf?

Tatsächlich gibt es noch keine eindeutige, detaillierte Erklärung wie genau der Schmerz zustande kommt. Die verbreitetste Theorie, zu der auch schon Studien vorliegen ist, dass der Kältereiz am Gaumen die Blutgefäße in diesem Bereich erweitert. Grundsätzlich reagieren Gefäße auf Kälte eher mit einer Verengung. Allerdings konnte in Studien beobachtet werden, das im Falle des Hirnfrosts genau das Gegenteil passiert. Die Gefäße erweitern sich schlagartig. Eine Erklärung dafür ist eine Art Schutzmechanismus des Gehirns. Um das Gehirn vor einer Unterkühlung zu schützen werden die Gefäße erweitert und damit die Durchblutung gesteigert. Diese kurzzeitig stärkere Durchblutung hat einen leichten Druckanstieg im Kopf zur Folge, was wir dann als unangenehm stechenden Schmerz empfinden.

Um die Dauer des Schmerzes zu reduzieren muss der Gaumen schnellstmöglich wieder erwärmt werden. Das geht zum Beispiel indem die warme Zunge darauf gepresst wird oder, falls vorhanden, ein warmes Getränk getrunken wird. Gänzlich verhindern lässt sich der Hirnfrost durch langsames essen oder trinken, so dass der Gaumen zwischen jedem Stück Eis oder jedem Schluck kalten Getränks Zeit hat sich wieder zu erwärmen.

Gefährlich ist der Hirnfrost übrigens nicht. Zumindest nicht so lange er nach wenigen Sekunden wieder nachlässt.

 

Quellen:

https://www.chirurgie-portal.de/neurologie/themen/brain-freeze-gehirnfrost.html

Wie entsteht ein Gewitter?

Im letzten Beitrag ging es um die Entstehung eines Tornados in einer Gewitterwolke. Diese Woche geht es darum, wie denn eine solche Gewitterwolke und die zu einem Gewitter gehörigen Phänomene wie Blitz und Donner entstehen.

Als Grundvoraussetzung wird warme, feuchte Luft in Bodennähe benötigt. Das ist der Hauptgrund, warum Gewitter meist im Sommer stattfinden. Diese warme Luft steigt auf Grund geringerer Dichte nach oben. Auf dem Weg nach oben kühlt sie sich ab. Ab einem gewissen Punkt fängt die Feuchtigkeit in der Luft an zu kondensieren und es bildet sich eine Wolke. Bei der Kondensation des Wassers wird allerdings weitere Wärme frei, die die Luftmasse weiter nach oben steigen lässt. Das Ganze passiert bis zu einem Höhenbereich in dem es so kalt ist, dass die Wassertropfen anfangen zu gefrieren. Die Eiskristalle fallen dann in der Wolke nach unten, können aber durch den in der Wolke herrschenden Aufwind wieder nach oben transportiert werden. Dabei wachsen sie immer weiter an bis sie letztendlich so groß sind, dass der Aufwind sie nicht mehr mitreißen kann und sie als Hagel, Graupel oder große Regentropfen auf die Erde fallen. Durch das ständige Hoch und Runter der Eiskristalle und Wassertropfen in der Wolke lässt sich nicht verhindern, dass diese auch aneinander stoßen und reiben. Dabei können von den aufsteigenden Tropfen Elektronen an die herabfallenden Eiskristalle abgegeben werden. Durch eine hohe Häufigkeit dieses Prozesses in der Wolke entsteht ein Ladungsfeld mit einem Elektronenüberschuss am unteren Ende (Minuspol) und einer Elektronenarmut am Kopf der Wolke (Pluspol). Diese Ladungen in der Wolke interagieren nun auch mit der Erdoberfläche. Hier gilt das allgemeine physikalische Gesetz: „Gegensätze ziehen sich an, Gleiches stößt sich ab“. Die negativ geladene Unterseite der Wolke erzeugt dadurch eine positive Ladung auf der darunter liegenden Erdoberfläche. Die Elektronen werden dort von den Elektronen der Wolke abgestoßen und es entsteht auch hier eine Elektronenarmut (Pluspol). Zwischen dem Minuspol der Wolke, der durch weitere Ladungstrennung in der Wolke immer stärker wird, und dem Pluspol auf der Erdoberfläche herrscht nun eine Spannung. Diese Spannung kann übrigens mehrere hundert Millionen Volt betragen. Wenn die Spannung groß genug ist kann sie sich in Form eines Blitzes entladen. Die kritische Spannung die überwunden werden muss liegt bei etwa 170.000 Volt pro Meter Abstand zwischen Wolke und Erdoberfläche. Blitze können allerdings auch zwischen Wolken oder innerhalb einer Wolke entladen werden. Hierfür sind etwas geringere Spannungen nötig. Deshalb ereignet sich ein Großteil der Blitze in den Wolken und nur ein geringer Teil geht bis auf die Erde.

Ein Blitz ist in der Lage die Luft auf extrem hohe Temperaturen zu erwärmen. Die Luft unmittelbar um den Blitzkanal wird schlagartig auf bis zu 30.000°C erhitzt. Die erhitzte Luft breitet sich dabei explosionsartig aus und bildet eine Druckwelle. Diese Druckwelle vernehmen wir als Donner wenn sie unser Ohr erreicht. Durch verschieden Einflüsse auf dem Weg zu uns kann der Donnerton in eine längeres „Grollen“ verzerrt werden.

Das faszinierende Phänomen Gewitter beinhaltet natürlich noch viel mehr Details aber ich denke mit dem oben Beschriebenen kann man sich ungefähr ein Bild davon machen was sich in und um einer Gewitterwolke herum abspielt.

 

Quellen:

http://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/klima-und-wetter/gewitterblitze/

https://www.nela-forscht.de/2011/06/08/wie-entsteht-ein-gewitter/

Warum streut man im Winter Salz?

Jeder weiß, dass Streusalz dazu führt, dass Eis und Schnee auf der Straße oder dem Gehweg schmelzen. Doch warum ist das so? Was macht das Salz mit dem Eis, damit es taut?

Zuerst muss man wissen, dass flüssiges Wasser und festes Eis, also die beiden Aggregatzustände von Wasser (H₂O), immer in einem, von der Temperatur abhängigen, Gleichgewicht vorliegen. Das heißt, dass sich selbst bei Minusgraden auf dem Eis ein leichter Film aus flüssigem Wasser befindet. Wenn man nun Kochsalz (NaCl – Natriumchlorid) auf das Eis streut, will sich das Salz in dem Wasser lösen. Das tut es auch und entzieht dem Eis somit seinen Wasserfilm. Das Streben nach dem genannten Gleichgewicht sorgt dafür, dass ein Teil des Eises schmilzt und einen neuen Wasserfilm bildet. Jetzt kann sich noch mehr Salz im Wasser lösen. Das Ganze geht so lange, bis das komplette Eis geschmolzen ist, vorausgesetzt man hat entsprechend viel Salz gestreut.

Wie kommt es aber, dass das jetzt vorhandene, flüssige Wasser mit dem Salz nicht einfach wieder gefriert? Die Temperatur liegt ja schließlich immer noch unter 0°C.

Hierfür ist die Gefrierpunkt absenkende Wirkung des Salzes verantwortlich. Eine Lösung von Salz in Wasser besitzt einen niedrigeren Gefrierpunkt als reines Wasser. So kann es also sein, dass die flüssige Kochsalzlösung bei -10°C immer noch nicht gefriert. Der Gefrierpunkt einer gesättigten Kochsalzlösung (gesättigt bedeutet, dass die maximale Menge an NaCl im Wasser gelöst ist) liegt bei etwa -21°C. Unterhalb dieser Temperatur würde also das Salzstreuen nicht mehr zum Auflösen des Eises führen und hätte nur noch eine ähnliche „Antirutschwirkung“ wie Sand oder Streugut.

Man sollte aber immer im Hinterkopf behalten, dass Salz bzw. NaCl- Lösungen in größeren Mengen schädlich für die Umwelt sind. Außerdem trägt es zur Korrosion von Asphalt und Metallen, beispielsweiße an Brücken oder Autos, bei. Aus diesem Grund wird immer häufiger auf den Einsatz von Kochsalz im Winterdienst verzichtet.