3.1 Physikalische Eigenschaften von Wasser

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:

  • Kinetische Energie der Bestandteile < Bindungsenergie
  • Geringe Beweglichkeit der Atome oder Moleküle
  • Amorpher oder kristalliner Aufbau
  • Volumensbeständig und inkompressibel
  • Homogen, inhomogen, isotrope oder anisotrope Eigenschaften

Flüssigkeiten:

  • Kohäsionsenergie>Kinetische Energie der Bestandteile>Bindungsenergie
  • Volumensbeständig, aber keine Formbeständigkeit
  • Freie Oberfläche
  • Inkompressibel

Gase:

  • Überwiegen der thermischen Bewegungen
  • Intermolekulare Kräfte << kinetische Energie der Teilchen
  • Dichte ca. 1.0 · 10-3 der Dichte der festen Körper
  • Kompressibel
  • Keine Volumens- und Formbeständigkeit.

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

Spezifisches Volumen und Dichte

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 und Kapillarität

Adhäsion beschreibt die Anziehungskräfte zwischen Molekülen unterschiedlicher Stoffe an einer Grenzfläche. Kohäsion ensteht durch die Anziehungskräfte der Moleküle eines Stoffes. Beim Kontakt zweier Stoffe wirken Kohäsion und Adhäsion gegeneinander. Überwiegt die Adhäsion, würde beispielsweise eine Flüssigkeit auf einer festen Oberfläche vollständig verlaufen (diese perfekt befeuchten). Überwiegt die Kohäsion, bilden sich hingegen Tropfen und die Oberfläche wird nicht bzw. nur teilweise befeuchtet. Durch die starke Bindung von Wasser im Molekül und im Kontinuum Wasser bewirkt die Kohäsion eine hohe Oberflächenspannung des Wassers. An der Grenzfläche Wasser/Luft beträgt die mechanische Spannung γ = 0,73 N/m2 (bei 20 °C). In der Grenzfläche hat die Oberfächenspannung σ die Dimension einer Kraft pro Wegstrecke [N/cm].

In engen Rohren (Kapillaren) kann die Oberflächenspannung die Schwerkraft überwinden, es kommt zum kapillaren Aufstieg von Wasser (Kapillaraszension, kapillarer Effekt, Kapillarität, siehe auch Kap. 10.3). Nicht benetzende Flüssigkeiten wie Quecksilber sinken ab (Kapillardepression).

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

Die Höhe des kapillaren Aufstiegs ergibt sich aus dem Gleichgewicht der von der Oberflächenspannung ausgeübten Kraft σ·2πR (benetzter Umfang) mit der Schwerkraft ρh·πR2:

Höhe des kapillaren Aufstiegs

bei vollständiger Benetzung ( cosθ=1):

h = 2 σ ρ R g

bei unvollständiger Benetzung:

h = 2 σ cosθ ρ R g
σ: Aufstiegshöhe [m]
σ: Oberflächenspannung [N/m]
ρ: Dichte [kg/m3]
R: Kapillarradius [m]
g: Erdbeschleunigung [m/s2]
θ: Benetzungswinkel []

Kompressibilität, innere Reibung, Viskosität und Schubspannung

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.

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 v y proportional, so daß

τx,y = η v y
Abb. 3.5: Geschwindigkeitsgefälle quer zur Strömung durch Wand- und innerer Reibung
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

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