Was passiert, wenn eine Tasse Wasser in den Gefrierschrank kommt?

Wenn eine Tasse Wasser in den Gefrierschrank gestellt wird, kommt es beim Abkühlen und Gefrieren des Wassers zu mehreren physikalischen und chemischen Veränderungen. Folgendes passiert:

Kühlung:

Wenn die Tasse in den Gefrierschrank gelangt, beginnt die kalte Luft im Inneren, dem Wasser Wärme zu entziehen. Die Wassermoleküle werden in ihrer Bewegung langsamer und ihre kinetische Energie nimmt ab. Die Temperatur des Wassers beginnt zu sinken.

Unterkühlung:

In manchen Fällen kann es bei Wasser zu einem Phänomen namens „Unterkühlung“ kommen. Wenn Wasser unter seinen Gefrierpunkt (0 Grad Celsius oder 32 Grad Fahrenheit) abgekühlt wird, ohne dass sich Eiskristalle bilden, spricht man von Unterkühlung. Dies kann passieren, wenn keine Keimbildungsstellen, wie Staubpartikel oder Kratzer auf dem Behälter vorhanden sind, an denen Eiskristalle wachsen können.

Keimbildung:

Schließlich kommt es zur Keimbildung und es bilden sich winzige Eiskristalle um die Keimbildungsstellen im Wasser. Die anfänglichen Eiskristalle können sehr klein sein, wie mikroskopisch kleine Nadeln oder Körner. Bei ihrer Bildung wird latente Schmelzwärme freigesetzt, also die Energie, die erforderlich war, um die Bindungen zwischen Wassermolekülen im flüssigen Zustand aufzubrechen.

Kristallwachstum:

Wenn sich mehr Eiskristalle bilden, wachsen sie durch einen Prozess namens „Kristallwachstum“ weiter. Die Wassermoleküle neben den Eiskristallen werden von ihrer geordneten Struktur angezogen und schließen sich dem wachsenden Eisgitter an, wodurch mehr latente Wärme freigesetzt wird. Dieser Wachstumsprozess setzt sich fort, bis sich ein erheblicher Teil des Wassers in festes Eis verwandelt.

Phasenübergang:

Da immer mehr Wassermoleküle in die Eiskristalle eingebaut werden, schreitet der Phasenübergang von flüssigem Wasser zu festem Eis voran. Der Gefrierpunkt von Wasser kann je nach Umgebungsbedingungen wie Luftdruck und Verunreinigungen leicht variieren, aber typischerweise findet dieser Übergang um den Gefrierpunkt herum statt (0 Grad Celsius oder 32 Grad Fahrenheit).

Erweiterung:

Eine interessante Eigenschaft von Wasser ist, dass seine Dichte beim Gefrieren abnimmt. Das bedeutet, dass Eis eine geringere Dichte hat als flüssiges Wasser. Wenn sich Wasser in Eis verwandelt, erfährt es eine leichte Volumenausdehnung, etwa 9 % mehr als im flüssigen Zustand. Dies ist häufig der Grund für geplatzte Wasserleitungen oder rissige Außenbehälter bei Frost.

Der Endzustand des Wasserbechers ist eine Mischung aus Eiskristallen und restlichem flüssigem Wasser, wenn nicht das gesamte Wasser fest gefroren ist. Die Menge an Eis, die sich bildet, hängt von der Verweildauer des Wassers im Gefrierschrank und den Temperatureinstellungen ab.

Hinweis:Die Abkühlgeschwindigkeit und die spezifischen Bedingungen im Gefrierschrank, wie z. B. Luftzirkulation und Temperaturstabilität des Gefrierschranks, können das Aussehen und die Struktur des gebildeten Eises beeinflussen.