imported>HeManLeser (Artikelanfang allgemeiner, außer Gefrierverzögerung auch andere Formen der Unterkühlung möglich. Einzelnachweise benannt und vom Text in den Abschnitt "Einzelnachweise" verschoben. + Fahrenheit 1724) |
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'''Unterkühlung''' bezeichnet in der [[Thermodynamik]] einen instabilen Zustand nach einer Absenkung der [[Temperatur]], wenn eigentlich durch das Abkühlen ein [[Phasenübergang]], z.B. Erstarren, stattfinden sollte, der aber gehemmt ist. Es gibt verschiedene Arten der Unterkühlung, die Gefrierverzögerung, die Kondensationsverzögerung und eine verzögerte Fest-Fest-Phasenumwandlung. Manchmal wird auch eine [[Übersättigung]], die durch Abkühlen entsteht, mit zur Unterkühlung gezählt. | '''Unterkühlung''' bezeichnet in der [[Thermodynamik]] einen instabilen Zustand nach einer Absenkung der [[Temperatur]], wenn eigentlich durch das Abkühlen ein [[Phasenübergang]], z. B. Erstarren, stattfinden sollte, der aber gehemmt ist. Es gibt verschiedene Arten der Unterkühlung<ref>{{Literatur |Autor=Gabriel O. Gomes, H. Eugene Stanley, Mariano de Souza |Titel=Enhanced Grüneisen Parameter in Supercooled Water |Sammelwerk=Scientific Reports |Band=9 |Nummer=1 |Datum=2019-08-19 |ISSN=2045-2322 |DOI=10.1038/s41598-019-48353-4 |Seiten=1–8 |Online=https://www.nature.com/articles/s41598-019-48353-4 |Abruf=2020-01-04}}</ref>, die Gefrierverzögerung, die Kondensationsverzögerung und eine verzögerte Fest-Fest-Phasenumwandlung. Manchmal wird auch eine [[Übersättigung]], die durch Abkühlen entsteht, mit zur Unterkühlung gezählt. | ||
Bei der '''Gefrierverzögerung''' wird Flüssigkeit bis unter den [[Gefrierpunkt]] abgekühlt, ohne dass diese [[Erstarrung|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 [[Kristallisationskeim|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 [[Metastabilität|metastabilen]] Zustand des Stoffes. Dieser Bereich wird auch [[Ostwald-Miers-Bereich]] genannt. | Bei der '''Gefrierverzögerung''' wird Flüssigkeit bis unter den [[Gefrierpunkt]] abgekühlt, ohne dass diese [[Erstarrung|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 [[Kristallisationskeim|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 [[Metastabilität|metastabilen]] Zustand des Stoffes. Dieser Bereich wird auch [[Ostwald-Miers-Bereich]] genannt. | ||
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 [[Wärmekissen|Handwärmern]] genutzt. | 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 [[Wärmekissen|Handwärmern]] genutzt. | ||
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== Historisches == | == Historisches == | ||
Als Entdecker der Unterkühlung<ref name="DarmstaedtersS143" /><ref name="DarmstaedtersS249" /> gilt [[Israel Conradi]] (1634–1715), ein Doktor der Medizin und bekannter Naturforscher<ref name="Kämpfert" /> in [[Danzig]]. Er berichtete 1677 über eine große Anzahl | Als Entdecker der Unterkühlung<ref name="DarmstaedtersS143" /><ref name="DarmstaedtersS249" /> gilt [[Israel Conradi]] (1634–1715), ein Doktor der Medizin und bekannter Naturforscher<ref name="Kämpfert" /> in [[Danzig]]. Er berichtete 1677 über eine große Anzahl von Kälteexperimenten,<ref name="Versuche1747" /><ref name="Kästner1754" /><ref name="Conradi1677" />, bei denen er auch die Unterkühlung entdeckte.<ref name="DarmstaedtersS143" /> [[Daniel Gabriel Fahrenheit]] beschrieb 1724, dass er ausgekochtes Wasser in ruhig stehenden Gefäßen etwa vier Grad unter den Gefrierpunkt abkühlen konnte, ohne dass es erstarrte.<ref name="Mach1896" /><ref name="Fahrenheit1724" /> Bei Erschütterungen trat aber plötzliches teilweises Erstarren ein, wobei sich das Wasser mit Eisnadeln durchsetzte.<ref name="Mach1896" /><ref name="Fahrenheit1724" /> [[Charles Blagden]] beschrieb 1788 seine Untersuchungen über die Gefrierverzögerung von [[Wasser]] und stellte dabei fest, dass reineres Wasser zu stärkerer Unterkühlung neigt.<ref name="Blagden" /> [[Joseph Louis Gay-Lussac]] kühlte Wasser, das mit einer Ölschicht bedeckt war, ohne Gefrieren auf −12 Grad.<ref name="Plank" /> | ||
== Weblinks == | == Weblinks == | ||
* [http://www.uni-hohenheim.de/lehre370/weinbau/praktikm/eisnuk.htm Erklärung am Beispiel von Wasser] | * [http://www.uni-hohenheim.de/lehre370/weinbau/praktikm/eisnuk.htm Erklärung am Beispiel von Wasser] | ||
* [https://www.nature.com/articles/s41598-019-48353-4 Enhanced Grüneisen Parameter in Supercooled Water] | |||
* [https://www.youtube.com/results?search_type=&search_query=Supercooling&aq=f Mehrere Videos von Experimenten] bei [[YouTube]] | * [https://www.youtube.com/results?search_type=&search_query=Supercooling&aq=f Mehrere Videos von Experimenten] bei [[YouTube]] | ||
== Einzelnachweise == | == Einzelnachweise == | ||
<references> | <references> | ||
<ref name="DarmstaedtersS249">{{Literatur |Titel=Ludwig Darmstaedters Handbuch zur Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik |TitelErg=In chronologischer Darstellung |Hrsg=Ludwig Darmstaedter, | <ref name="DarmstaedtersS249">{{Literatur |Titel=Ludwig Darmstaedters Handbuch zur Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik |TitelErg=In chronologischer Darstellung |Hrsg=Ludwig Darmstaedter, René Du Bois-Reymond, Carl Schaefer |Verlag=Julius Springer |Ort=Berlin |Datum=1908 |Kapitel=1788 |Seiten=249 |Online=[https://archive.org/stream/b24860153#page/248/mode/2up online im Internet Archive] |Abruf=2017-05-07 |Zitat= 1677 Israel Conradi [...] beschreibt zuerst die Unterkühlung des Wassers}}</ref> | ||
<ref name="DarmstaedtersS143">{{Literatur |Titel=Ludwig Darmstaedters Handbuch zur Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik |TitelErg=In chronologischer Darstellung |Hrsg=Ludwig Darmstaedter, | <ref name="DarmstaedtersS143">{{Literatur |Titel=Ludwig Darmstaedters Handbuch zur Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik |TitelErg=In chronologischer Darstellung |Hrsg=Ludwig Darmstaedter, René Du Bois-Reymond, Carl Schaefer |Verlag=Julius Springer |Ort=Berlin |Datum=1908 |Kapitel=1788 |Seiten=143 |Online=[https://archive.org/stream/b24860153#page/142/mode/2up online im Internet Archive] |Abruf=2017-05-07 |Zitat=der zuerst von J. Conradi (s. 1677 C.) beobachteten Unterkühlung}}</ref> | ||
https://archive.org/stream/b24860153#page/142/mode/2up | https://archive.org/stream/b24860153#page/142/mode/2up | ||
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<ref name="Fahrenheit1724">{{Literatur|Autor=[[Daniel Gabriel Fahrenheit]] |Titel=Experimenta & Observationes De Congelatione Aquae in Vacuo |TitelErg= Factae a D. G. Fahrenheit, R. S. S. | Sammelwerk=Philosophical Transactions |Band=33 |Nummer=381-391 |Datum=1724 |Sprache=la |Seiten=78–84 |ISSN=0261-0523 |DOI=10.1098/rstl.1724.0016 |Online=http://rstl.royalsocietypublishing.org/content/33/381-391/78|Abruf=2017-05-07}}</ref> | <ref name="Fahrenheit1724">{{Literatur|Autor=[[Daniel Gabriel Fahrenheit]] |Titel=Experimenta & Observationes De Congelatione Aquae in Vacuo |TitelErg= Factae a D. G. Fahrenheit, R. S. S. | Sammelwerk=Philosophical Transactions |Band=33 |Nummer=381-391 |Datum=1724 |Sprache=la |Seiten=78–84 |ISSN=0261-0523 |DOI=10.1098/rstl.1724.0016 |Online=http://rstl.royalsocietypublishing.org/content/33/381-391/78|Abruf=2017-05-07}}</ref> | ||
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<ref name="Plank">{{Literatur |Autor=[[Rudolf Plank]] |Titel=Thermodynamische Grundlagen |Verlag=Springer-Verlag |Ort=Berlin Heidelberg |Datum=1953 |Reihe=Handbuch der Kältetechnik |BandReihe=2 |Kapitel=Die thermischen Größen im Naßdampfgebiet |Seiten=105 |ISBN=978-3-642-88487-0 |DOI=10.1007/978-3-642-88486-3 |Online={{Google Buch | BuchID=5wjNBgAAQBAJ|Seite=105 }} |Abruf=2017-05-07}}</ref> | <ref name="Plank">{{Literatur |Autor=[[Rudolf Plank]] |Titel=Thermodynamische Grundlagen |Verlag=Springer-Verlag |Ort=Berlin Heidelberg |Datum=1953 |Reihe=Handbuch der Kältetechnik |BandReihe=2 |Kapitel=Die thermischen Größen im Naßdampfgebiet |Seiten=105 |ISBN=978-3-642-88487-0 |DOI=10.1007/978-3-642-88486-3 |Online={{Google Buch | BuchID=5wjNBgAAQBAJ|Seite=105 }} |Abruf=2017-05-07}}</ref> | ||
Unterkühlung bezeichnet in der Thermodynamik einen instabilen Zustand nach einer Absenkung der Temperatur, wenn eigentlich durch das Abkühlen ein Phasenübergang, z. B. Erstarren, stattfinden sollte, der aber gehemmt ist. Es gibt verschiedene Arten der Unterkühlung[1], die Gefrierverzögerung, die Kondensationsverzögerung und eine verzögerte Fest-Fest-Phasenumwandlung. Manchmal wird auch eine Übersättigung, die durch Abkühlen entsteht, mit zur Unterkühlung gezählt.
Bei der Gefrierverzögerung wird Flüssigkeit bis unter den Gefrierpunkt abgekühlt, 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. Dieser Bereich wird auch Ostwald-Miers-Bereich genannt.
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.
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.
Als Entdecker der Unterkühlung[2][3] gilt Israel Conradi (1634–1715), ein Doktor der Medizin und bekannter Naturforscher[4] in Danzig. Er berichtete 1677 über eine große Anzahl von Kälteexperimenten,[5][6][7], bei denen er auch die Unterkühlung entdeckte.[2] Daniel Gabriel Fahrenheit beschrieb 1724, dass er ausgekochtes Wasser in ruhig stehenden Gefäßen etwa vier Grad unter den Gefrierpunkt abkühlen konnte, ohne dass es erstarrte.[8][9] Bei Erschütterungen trat aber plötzliches teilweises Erstarren ein, wobei sich das Wasser mit Eisnadeln durchsetzte.[8][9] Charles Blagden beschrieb 1788 seine Untersuchungen über die Gefrierverzögerung von Wasser und stellte dabei fest, dass reineres Wasser zu stärkerer Unterkühlung neigt.[10] Joseph Louis Gay-Lussac kühlte Wasser, das mit einer Ölschicht bedeckt war, ohne Gefrieren auf −12 Grad.[11]