Druckaufschmelzung

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Unter Druckaufschmelzung versteht man den Effekt, dass man den Schmelzpunkt von Eis durch eine Erhöhung des Druckes herabsetzen kann. In der Glaziologie wird die durch den Auflagedruck überlagerte Massen herabgesetzte Schmelztemperatur von Eis Druckschmelzpunkt genannt.

Kein anderer bekannter Stoff verhält sich so. Bei diesen wird der Schmelzpunkt bei Druckerhöhung immer heraufgesetzt. Der Effekt ist also eine Folge der Anomalie des Wassers.

Pro zusätzlichem Bar erhöhtem Druck sinkt der Schmelzpunkt um ca. 0,0077 K.

Etwas exakter folgt aus der Clausius-Clapeyron-Gleichung die Beziehung

$ T_{\mathrm {neu} }=T_{\mathrm {start} }\cdot \mathrm {e} ^{\frac {\Delta p\cdot (v_{L}-v_{S})}{L}} $

Hierbei sind:

  • $ T_{\mathrm {neu} } $ Der neue Schmelzpunkt
  • $ T_{\mathrm {start} } $ Der alte Schmelzpunkt beim Anfangsdruck.
  • $ \Delta p $ Die Druckänderung
  • $ v_{L},v_{S} $ Die spezifischen Volumina des Stoffes.
  • $ L $ Die spezifische Schmelzwärme des Stoffes.

Sehr verbreitet ist die Ansicht, dass dieser Effekt beim Schlittschuhlauf durch den Druck der Kufen das Eis schmilzt und ein Wasserfilm entsteht, der das Gleiten der Kufen ermöglicht.

Der folgende Rechnungsgang demonstriert die Größenordnungen:

  • Für einen Schnelllauf-Schlittschuhe mit – wie üblich rechteckig plangeschliffener Kufe – werde eine Dicke von 1,5 mm (= 0,15 cm) und eine Länge von 40 cm angenommen. Die Gesamtfläche beträgt somit 40 cm × 0,15 cm = 6 cm².
  • Ein Eisschnellläufer mit einer Masse von 75 kg übt eine Gewichtskraft von 75 kg · 9,81 m/s² = 736 N aus.
  • Verteilt auf 6 cm² entspricht das einem Druck von 736 N / 6 cm² = 123 N/cm² = 12,3 bar.
  • Ein Druck von 12,3 bar würde den Schmelzpunkt um 12,3 x 0.0077 K senken, also um 0,09 K.

Schon bei -1 °C wäre dann theoretisch kein Eislauf möglich. Die Druckaufschmelzung kann also nicht für den Mechanismus des Schlittschuhlaufens herangezogen werden. Zu bedenken ist dabei auch, dass alle anderen Gleitwerkzeuge (Skier, Schlitten etc.) noch größere Flächen haben und noch geringeren Druck ausüben.

Zur Erinnerung die physikalischen Einheitendimensionen:

  • 1 Newton (Einheit) = 1 kg·m/s²
  • eine Masse von 1 kg übt auf der Erde auf Meereshöhe eine Gewichtskraft von 9,81 kg·m/s² ≈ 10 Newton aus.
  • 10 N/cm² = 1 bar

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