Warum macht Wind alles kälter?

Die Temperaturen pendeln gerade wieder um den Gefrierpunkt. Die Nächte sind teils bitter kalt, die Sonne gewinnt allerdings schon wieder an Stärke wenn sie mal raus kommt. Einen großen Einfluss auf das Wetter und die Temperaturen im Winter hat aber auch noch ein anderes Naturphänomen: Der Wind.

Wenn wir im Winter nach draußen gehen und uns entscheiden müssen welche Jacke, Mütze oder Handschuhe wir anziehen, schauen wir als erstes auf das Thermometer. Oft merkt man draußen dann aber, dass es doch kälter ist als gedacht. Ein leichter Wind kann unser Temperaturempfinden stark beeinflussen. Auf vielen Wetterportalen wird daher mittlerweile neben der Lufttemperatur auch noch eine gefühlte Temperatur angegeben. Hier wird unter anderem der Effekt, den der Wind auf uns hat mit einberechnet. Wenn wir nach draußen gehen bilden wir nämlich durch unsere deutlich höhere Körpertemperatur eine Art wärmere Schutzschicht um uns herum aus. Die Luft in direkter Körpernähe wird erwärmt und hält damit die kältere Luft drum herum davon ab uns noch weiter abzukühlen. Kleidung versucht möglichst viel dieser warmen Luft am Körper zu halten. Wind hingegen bewirkt genau das Gegenteil. Er bläst die körpernahe, wärmere Luft von uns weg, so dass neue kalte Luft an den Körper gelangen kann. Das Resultat ist, dass es uns kälter vorkommt, wenn es zu niedrigen Temperaturen auch noch windig ist. Diesen Effekt nennt man übrigens auch „Windchill-Effekt“

Gleiches gilt natürlich auch für den Sommer und warme Lufttemperaturen. Im Sommer wird die kühlende Wirkung des Windes bei sehr heißen Temperaturen allerdings oft als angenehm empfunden.

 

Quellen:

https://www.watson.ch/Wissen/Winter/839421571-Fuer-alle–die-heute-schon-draussen-waren–oder-es-noch-vor-haben—10-eiskalte-Kaeltefakten

Wie funktioniert ein Taschenwärmer?

Bevor die kalte Jahreszeit sich langsam dem Ende neigt, noch ein Thema für den Winter.

Wie funktionieren die Taschenwärmer?

Viele haben vielleicht schon einmal einen benutzt. Man knickt das Metallplättchen im Inneren und der Taschenwärmer wird warm. Für die Wiederverwendung muss er dann in kochendes Wasser gelegt werden. Aber was passiert dabei eigentlich, dass die Wärme frei wird?

Die Substanz, die sich im Inneren eines solchen Taschenwärmers befindet, nennt sich Natriumacetat Trihydrat. Natriumacetat ist ein Salz (allerdings keines, dass zum Verzehr geeignet ist). Trihydrat bedeutet, dass an jedem Salzmolekül drei Wassermoleküle hängen, die das Salz umgeben.

Beim Erwärmen im kochenden Wasser trennen sich die Wassermoleküle vom Salz, wodurch das Salz sich wiederum im freigewordenen Wasser lösen kann. Wie Kochsalz, dass man in Wasser gibt. Da die Menge an Salz, die im Wasser gelöst werden kann von der Temperatur abhängt, würde beim Abkühlen normalerweise das Salz wieder kristallisieren, also fest werden. Dafür benötigt es aber einen Auslöser, wie zum Beispiel eine Unreinheit oder eine raue Oberfläche. Wenn man den Taschenwärmer in Ruhe abkühlen lässt, gibt es keine Auslöser für die Kristallisation. Was jetzt entsteht ist also ein Zustand, in dem das immer noch gelöste Salz eigentlich fest werden will, aber ohne Auslöser nicht kann. Diesen Zustand nennt man „Metastabil„. Der Auslöser, der den metastabilen Zustand zum Einsturz bringt, ist das Knicken des Metallplättchens im Taschenwärmer. An der Knickstelle entsteht auf mikroskopischer Ebene eine raue Oberfläche, an der die Kristallisation beginnen kann. Wenn einmal ein Salzkristall gebildet ist geht es ziemlich schnell und es dauert nicht lange, bis der ganze Inhalt des Taschenwärmers fest ist. Die dabei entstehende Wärme, die dann die Hände wärmt, ist die Selbe, die man mit heißem Wasser reinstecken musste, um den Inhalt zu verflüssigen.

Ein Taschenwärmer ist also im Prinzip ein chemischer Wärmespeicher, den man mit heißem Wasser Aufladen und durch das Knicken des Metallplättchens wieder entladen kann.

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.

Die eingefrorene Windschutzscheibe

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.