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Ist doch klar: Wenn sich etwas erwärmt, so dehnt es sich aus, beim Abkühlen zieht es sich wieder zusammen. Je kälter also ein Stoff ist, desto weniger Volumen nimmt er ein. Doch für dieses universelle physikalische Gesetz gibt es Ausnahmen. Die bekannteste davon ist Wasser. Seine Dichte ist bei 4° C am höchsten und nimmt von da sowohl mit steigender als auch mit sinkender Temperatur ab. Das heisst: 1 Liter Wasser ist bei 4° C am schwersten.
Darum gefrieren Seen nicht durch
In der Wissenschaft spricht man von der Dichteanomalie des Wassers. Ohne diese spezielle Eigenschaft wäre Leben auf unserem Planeten nicht möglich. Denn die Dichteanomalie hat zur Folge, dass gefrorenes Wasser, also Eis, auf der Oberfläche bleibt und nicht absinkt. Gleichzeitig bildet sich im unteren Bereich eines stehenden Gewässers permanent eine Schicht aus dem «schwersten» Wasser – jenes mit einer Temperatur von 4° C.
Würde sich Wasser hingegen wie andere Stoffe verhalten, dann wären unsere Seen und Meere längst durchgefroren. Bestenfalls würde während des Sommers die oberste Schicht auftauen und sich so ein See oder ein Meer mit eisigen Temperaturen bilden – um im Winter wieder vollständig zu gefrieren. Leben wäre dann – zumindest auf der uns bekannten, wasserbasierten Form – nicht möglich.
Ordnung macht Eis leicht
Warum verhält sich Wasser so atypisch? Grund sind starke Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Wassermolekülen. Sie haben zur Folge, dass sich die Moleküle in Gruppen – sogenannten Clustern – anordnen. Diese Cluster benötigen mehr Platz als eine chaotische Anordnung.
Da der Ordnungsgrad mit sinkender Temperatur zunimmt, ist Eis leichter als Wasser. Erwärmt man Wasser, zerfallen die Cluster, seine Dichte steigt. Doch damit beginnt auch die Wärmeausdehnung wie bei den meisten anderen Stoffen auch. Sie bewirkt, dass die Wassermoleküle wieder mehr Platz benötigen.
Bei 4° C ist jener Punkt erreicht, da die Cluster klein sind, die Wärmeausdehnung hingegen ebenfalls noch. Die Wassermoleküle benötigen dann also am wenigsten Platz. Daher hat Wasser bei dieser Temperatur die höchste Dichte, ist umgangssprachlich «am schwersten».