3.1 Physikalische Eigenschaften von Wasser

3.1.1 Aggregatzustände
3.1.2 Mechanische Eigenschaften
3.1.3 Weitere thermodynamische Eigenschaften

3.1.1 Aggregatzustände

Wasser als Stoff kommt auf und unter der Erdoberfläche vor. Seine besonderen Eigenschaften, vor allem die gleichzeitige Existenz in den Aggregatzuständen (=Phasen) fest, flüssig und dampfförmig, ermöglichen das Vorkommen in der Hydrosphäre, in der Atmosphäre und in der Lithosphäre. Aggregatzustände und Phasenübergänge können in einem Zustandsdiagramm (s. Abb. 3.1) dargestellt werden. Das Zustandsdiagramm V = V(ρ, T) ist eine dreidimensional Darstellung, kann aber auch zweidimensional dargestellt werden, wenn die dritte Zustandsgröße konstant gehalten wird: V = V(T) mit ρ = konstant.

Abb. 3.1: Zustandsdiagramm des Wassers in Abhängigkeit von Druck und Temperatur (nach Baumgartner & Liebscher 1996, verändert). Diese Abbildung ist nicht maßstabsgetreu und zeigt nur den schematischen Verlauf des Zustandsdiagramms.

Wichtige Eigenschaften der Aggregatzustände (allgemein):

Festkörper:

Flüssigkeiten:

Gase:

Wasser ist Voraussetzung für die Existenz der Biosphäre, gleichzeitig aber auch formendes Element der Erdoberfläche (Erosion) und strukturiert die Böden (Bodenentwicklung). In der Hydrologie tritt Wasser auch als Transportmedium auf (Flüsse, Stofftransport im Grundwasser etc.). Die Eigenschaften des Wassers führen auch zur Ausbildung von einzelnen Lebensräumen (Meere, Seen).

Abb. 3.2: Schema der Änderungen der Aggregatzustände

Abb. 3.3: Fester, flüssiger und gasförmiger Aggregatzustand

3.1.2 Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften des Wassers werden im wesentlichen durch die Temperatur und den Salzgehalt beEinflusst. Folgende Tabelle informiert über das spezifische Volumen und die Dichte.

Tabelle 3.1: Spezifisches Volumen ν und Dichte ρ von Wasser oder Eis als Funktion der Temperatur T (Baumgartner & Liebscher 1996):
T [°C] Spezifisches Vol. ν [cm³/g] Dichte ρ [g/cm³]
Eis flüssiges Wasser Eis flüssiges Wasser
-20 1,08696 1,006580 0,920000 0,994390
0 1,09051 1.000160 0,917899 0,999868
4   1,000028   0,999972
20   1,001797   0,998234
40   1,007842   0,992247
60   1,017089   0,983226
80   1,029027   0,971819
100   1,043453   0,958382

Oberflächenspannung (Kapillarität)

Die strenge Wasserbindung im Molekül und im Kontinuum Wasser erzeugt die ungewöhnliche Kohäsion des Wassers als Flüssigkeit (hohe Oberflächenspannung). An der Grenzfläche Wasser/Luft beträgt die mechanische Spannung γ = 0,73 n/m2 (bei 20 °C). In der Grenzfläche hat die Spannung die Dimension einer Kraft pro Wegstrecke. Sie wird als Kapillarität σ bezeichnet [N/cm]. Mit der Oberflächenspannung hängt die Kapillarität, d.h. das Aufsteigen von Wasser in engen Röhren zusammen (siehe auch Kap. 10.3).

Abb. 3.4: Wasseranstieg und Benetzungswinkel Θc in einer Kapillare mit dem Radius R beim Luftdruck [Pa] (Baumgartner & Liebscher 1996), Entstehung der Oberflächenspannung.

Höhe des maximalen kapillaren Aufstiegs

bei vollständiger Benetzung (cos Θc = 1):

h = 2 · (σ / ρ · R · g)

bei unvollständiger Benetzung:

h = 2 · σ cos c / ρ · R · g)

ρ: Dichte
R: Kapillarradius
g: Erdbeschleunigung

Kapillaraszension: benetzende Flüssigkeiten in engen Röhren, Kapillardepression: nicht benetzende Flüssigkeiten sinken ab (Quecksilber).

Tabelle 3.2: Weitere wichtige mechanische Eigenschaften des Wassers (aus: Baumgartner & Liebscher 1996):
Temperatur
T [°C]
Oberflächenspannung
σ [10-5 N/cm]
dynamische Viskosität
η [10-3 Pa·s]
Kompressibilität
κ [10-9 hPa-1]
0 75,6 1,78 51,0
5 74,9 1,52 49,6
10 74,2 1,31 45,9
15 73,5 1,14 44,2
20 72,8 1,00 44,5
25 72,0 0,89 46,1
30 71,2 0,80 48,9
50 67,9 0,55 44,0
100 58,9 0,28 47,7

Die relative Volumenänderung des Wassers bei Druckänderung, die Kompressibilität, ist außerordentlich klein (vgl. u.a. Kap. 11.4.1: gespanntes Grundwasser). Oberflächenaktive Substanzen verringern die Oberflächenspannung von Wasser. Die Messung der Oberflächenspannung erfolgt zum einen durch Austropfen eines definierten Volumens mit einem Stalagmometer oder mit Hilfe der Bügelmethode.

Innere Reibung, Viskosität und Schubspannung

Die molekularen Bindungskräfte verleihen dem Wasser eine Zähigkeit, die bei dessen Strömung zu innerer Reibung oder Viskosität und zu Schubspannungen führt. Die aus der inneren Reibung resultierenden Schubkräfte τ quer zur Strömung sind dem Geschwindigkeitsgefälle dv/dy proportional, so daß

τx, y = η(dv/dy).

Abb. 3.5: Geschwindigkeitsgefälle quer zur Strömung durch Wand- und innerer Reibung

3.1.3 Weitere thermodynamische Eigenschaften

Das thermische Verhalten von Wasser kann durch folgende Kenngrößen beschrieben werden:

Tabelle 3.3: Kenngrößen zur Thermodynamik des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur T: α: thermische Ausdehnung, c: spezifische Wärme, c ∙ ρ: Volumen-Wärmekapazität, λ: Wärmeleitfähigkeit, ε: Enthalpie. Als Indizes werden w für flüssiges Wasser und e für Eis verwendet (aus: Baumgartner & Liebscher 1996):
T
[°C]
αw
[10-6 K-1]
cw
[J/(g·K)]
ce
[J/(g·K)]
c ∙ ρ
[J/(cm3·K)]
λw
[10-4 W/(cm·K)]
λe
[10-4 W/(cm·K)]
εw
[J/g]
-20 -678 4,35 1,96 4,19 52,3 243  
0 -68 4,22 2,11 4,21 56,4 222 0,10
5 0,3 4,20   4,20 57,4   16,9
10   4,19     58,4    
15   4,19          
20 207 4,18   4,17 59,7   84,00
25   4,18          
30   4,18     61,8    
40 385 4,18   4,15 62,7   167,58
50   4,18     64,5    
60 523 4,18   4,11 65,1   251,20
80 642 4,20   4,08 67,0   335,00
100 750 4,20   4,04 68,2   419,10