Unterkühlung (Thermodynamik)
Unterkühlung bezeichnet in der Thermodynamik die Absenkung der Temperatur einer Flüssigkeit unter den Gefrierpunkt, ohne dass diese erstarrt. Allgemein ist dieser Effekt auch als unterkühlte Schmelze bekannt. Eine unterkühlte Flüssigkeit oder Schmelze hat somit bei gegebenem Druck eine niedrigere Temperatur als ihrem Aggregatzustand entspricht. Das Impfen mit kleinsten Keimen, evtl. auch Impulsübertragung in Form von Erschütterung, führt jedoch unter Freisetzung der Schmelzenthalpie zu spontaner Kristallisation. Daher spricht man bei der Unterkühlung von einem metastabilen Zustand des Stoffes.
Ein (meist sehr reiner) Stoff, der den Zustand der unterkühlten Schmelze zulässt, ermöglicht also Energiespeicherung in Form von Wärme (Latentwärmespeicher). Dieser Effekt wird unter anderem bei Handwärmern genutzt.
Ursache
Die Ursache für diesen Effekt ist, dass zur Änderung des Aggregatzustands oft ein Kristallisationsansatz notwendig ist. Beispielsweise wachsen Eiskristalle nur auf Eiskristallen und einigen anderen Anordnungen. Sind diese Kristallisationsansätze nicht vorhanden, so kann eine Kristallisation und damit die Aggregatzustandsänderung nicht eintreten, selbst wenn sie von der Temperatur her möglich wäre.
Beispiel Wasser
Meist wird angenommen, der Gefrierpunkt von Wasser sei Null Grad Celsius (bei Normaldruck). In der Tat liegt der Schmelzpunkt von Eis genau bei dieser Temperatur. Beim Gefrieren verhält es sich aus kinetischen Gründen jedoch anders.
Normalerweise sind in Wasser durch die zufällige Molekülbewegung immer einige Anhäufungen (englisch cluster) von Wassermolekülen in geordneter Form vorhanden – diese werden Eiskristall–Embryonen genannt. Sie zerfallen jedoch genau so schnell wieder wie sie gebildet wurden und wachsen nicht weiter, denn es gibt für Kristalle, also auch für Eis, eine gewisse Mindestgröße (kritischer Keimradius): Bei −5 °C müssen sich etwa 50.000 Wassermoleküle geordnet zusammenlagern, bevor der Eiskristall-Embryo stabil ist und weiter wachsen kann, bei −20 °C müssen es immer noch einige hundert sein und zufällige Anhäufungen dieser Größe sind immer noch recht unwahrscheinlich. Erst bei etwa −40 °C ist weiteres Wachstum zu erwarten, denn hier reichen bereits Cluster von 70 Molekülen.
Der Vorgang, durch den Eiskristall-Embryonen eine ausreichende Größe erhalten, die sie stabilisiert und zu einem Eiskristall wachsen lässt, wird Eis-Nukleation genannt. Ist nur Wasser beteiligt, handelt es sich um homogene Eis-Nukleation und diese tritt erst nach einer Unterkühlung auf etwa −40 °C ein.
Wenn jedoch Oberflächen mit bestimmten Eigenschaften vorhanden sind (sei es als Partikel im Wasser, sei es an der Oberfläche eines Behälters), wirken diese stabilisierend auf Kristall-Embryonen und die Nukleation setzt bereits bei höheren Temperaturen ein (heterogene Eisnukleation).
Siehe auch
- Eisregen
- Nukleation
- Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorow-Gleichung
- Kristallisationskeim, Kondensationskeim
- Siedeverzug