Physik pur...

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Physik pur...

Beitragvon Kai P. » 09 Dez 2010, 23:45

Liebes Forum,

ich habe eine Haarsträubende Frage im Zusammenhang, gekommen ist sie weil ein guter Freund und ich darüber geredet haben, wie praktisch eine Thermokanne im Winter für und im Sommer für Eistee ist. Und weil ein Eistee ja nur mit Eiswürfeln gut ist, ist uns Folgende (unrealistische Idee gekommen: Man nimmt einen 2x2x2 Meter großen Stahlklotz und schneidet ihn etwa mittig durch, und mach ein 2x2x2 cm Großes Loch hinein (Stahl is 20 °C warm), darein kommt jetzt ein 100% passender und plan anliegender Eiswürfel hinein ( -40°C kalt) und den Teil der vorher abgesägt worden ist, wird (egal wie ob möglich oder nicht) wieder auf die Hälfte mit dem Eiswürfel gesetzt und Verschweißt. Der Eiswürfel ist jetzt im Stahlklotz und in dem mit Eis gefülltem Hohlraum, ist 0% Gas; nur H²O in Eis Form. Laut der Anomalie des Wasser würde der Eiswürfel bei -40°C mehr Platzeinnehmen als bei -10°C oder 4°C... nun war die Frage ob der Eiswürfel durch das zusammen ziehen beim "Auftauen" den Stahl tatsächlich verbiegt oder ob aufgrund des ''festgelegtem'' Volumens der Eiswürfel auch bei 4°C noch Eis wäre oder was anderes passieren könnte:D Eigentlich wollten wir unseren Physik Lehrer dazu ausfragen, leider ist er bis nächste Woche nicht da....
Vielleicht weiß hier jemand Rat.

Danke im Voraus, Kai.
Heute bauen wir Roboter... und was in 20 Jahren?!
Kai P.
 
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Re: Physik pur...

Beitragvon Harald » 10 Dez 2010, 21:05

Also, wenn man ganz genau sein will, dann wird genau an dieser Stelle hier:
Kai P. hat geschrieben: wieder auf die Hälfte mit dem Eiswürfel gesetzt und Verschweißt.

der Eiswürfel zu Wasserdampf, und der Rest des Experiments nimmt einen anderen Verlauf.

Sollte es aber eine Methode zum augenblicklichen Kaltverschweißen geben, dann wird sich ein Gleichgewicht aus etwas zusammengepresstem Eis und etwas gedehntem Stahl einstellen. An den äußeren Abmessungen des Stahlwürfels ändert sich aber sicher nichts messbares.

Ansonsten würde die Frage in ein Paradoxon ausarten. Von der Sorte gibt es schon ein sehr schönes:

What will happen if an irresistible force meets an unmovable object? (Was passiert, wenn eine unwiderstehliche Kraft auf ein unbewegliches Objekt einwirkt?) Weiteres gibt es dazu hier http://en.wikipedia.org/wiki/Irresistible_force_paradox.

Gruß,
Harald
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Re: Physik pur...

Beitragvon heiko » 11 Dez 2010, 03:21

Hallo,

meiner Intuition nach wird der Eiswürfel auch bei hohen Temperaturen kristallin bleiben. Und zwar solange, wie sein Dampfdruckª nicht ausreicht, um ausreichend stark gegen den Behälter zu arbeiten. Dann bleibt das Kristallgitter erhalten, weil es innerhalb des Behälters die energetisch optimale Packung ist, und das eigentliche Optimum (Behälter wird gesprengt) eine so hohe Energiezufuhr benötigt, dass es unrealistisch ist, dass sich dieser Zustand rein zufällig aus dem Nichts heraus einstellt.

ª Dampfdruck gibts eigentlich nur an fest-flüssig-Phasengrenzen, nicht zwischen zwei Festkörpern. Weiß nicht, ob das trotzdem Sinn ergibt.



Nachtrag: Moooooooooment mal! Wieso ist die Dichte von Eis bei -40ºC maximal? Das ist doch schon spätestens bei -5ºC gefroren, und theoretisch gefriert Wasser sogar schon bei 0ºC, wenn man ihm genügend Zeit lässt. Ein Eiskristall kann sich nun bei Abkühlung überhaupt nicht ausdehnen. Der Eiskristall ist aber im Vergleich mit Wasser schon so stark ausgedehnt, dass er beim Gefrieren eine Frostsprengung hätte machen können. Das heißt, das Eis wird sich beim Wiederauftauen brav wieder zusammenziehen. Weil bei diesem Wiederauftauen etwas Volumen übrig bleibt, gibt es einen höllischen Unterdruck, der gemäß der Dampfdruckkurve mit Dampf aufgefüllt wird, so dass der Druck in der Gasphase entsprechend der Temperatur eingestellt wird.

Puh.

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Re: Physik pur...

Beitragvon qincym » 11 Dez 2010, 10:44

Hallo,

soweit ich mich zurückerinnern kann, hat das Wasser die größte Dichte bei +4Grad (ergänzt: Celsius). Bei Temperaturen darüber und darunter ist die Dichte geringer. Eis würde sonst nicht schwimmen.

Viele Grüße
Volker-James
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Re: Physik pur...

Beitragvon ErwinG » 17 Dez 2010, 11:48

Das Eis wird nicht kristallin bleiben. Da der Metallblock wärmer als das Eis ist, wird aufgrund des Temperaturgradienten ein Wärmefluß einsetzen, der das Eis zum Schmelzen bringt. Unter der Annahme, daß kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet, wird sich eine gemeinsame Mischtemperatur einstellen, die sich aus den Massen und den Wärmekapazitäten des Wassers und des Metallblocks errechnen läßt.

Da das Eis ein größeres Volumen als die entsprechende Masse Wasser hat, wird im Hohlraum ein Unterdruck entstehen. Der Druck entspricht dabei dem Dampfdruck des Wassers bei der Mischtemperatur.
Ob sich der Metallblock dabei verformt, hängt von der Wanddicke ab. Strenggenommen müßte man noch die Volumenkontraktion des Metallblocks durch die Abkühlung mit einbeziehen.

Würde man umgekehrt den Hohlraum komplett mit Wasser füllen und dann abkühlen, bis das Eis gefriert, wird durch die Volumenausdehnung der Metallblock gesprengt (klasischer Versuch im Physikunterricht).

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