Normalerweise würde man annehmen, dass die Dichte einer Flüssigkeit mit abnehmender Temperatur immer weiter steigt und dann die Dichte des Festkörpers noch größer ist. Bei Wasser ist dem aber nicht so.

Zwar nimmt die Wasserdichte mit sinkender Temperatur zunächst zu, jedoch nur bis 4°C. Darunter nimmt sie wieder ab und als Festkörper besitzt dann Eis eine eigenartigerweise geringere Dichte als Wasser als Flüssigkeit. Deshalb schwimmen Eisberge auch in Wasser und Teiche gefrieren von oben nach unten und ermöglichen es so den Wassertieren zu überleben.

In diesem Experiment möchte ich die Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur ermitteln und das Maximum bei 4°C zu erfassen. Zu diesem Zweck habe ich mir einen 500 ml Doppelhalskolben auf aliexpress gekauft.

Für das dünne Rohr, in dem dann die variierende Steighöhe des Wassers ermittelt wird, habe ich ein Plexiglasrohr mit 3 mm Innendurchmesser besorgt.

Das Thermometer kommt von Aliexpress und den Gummistopfen mit Loch (5 mm) lieferte Amazon:

Die Masse ohne Wasser betrug 310 g…

…und mit Wasser 867 g:

Die Temperatur zu Beginn des Experiments lag bei 15.1°C

Bei dieser Starttemperatur markierte ich die Steighöhe des Wassers mit einem Streifen Klebeband. Dies war quasi meine Referenzsteighöhe und für alle weiteren Temperaturen bestimmte ich dann die Abnahme h der Steighöhe.

Damit ich das Wasser im Kolben auch wirklich mit Eiswürfel weit genug senken kann, kaufte ich über http://www.willhaben.at eine gebrauchte Kühlbox aus Styropor um 4€:

Diese befüllte ich dann mit insgesamt 4 kg Eiswürfel, welche ich im Supermarkt zum Glück entdeckte:

Bei 13.9°C sank der Wasserspiegel im dünnen Plexiglasrohr bereits deutlich:

Dieser Trend setzte sich dann für die weitere Temperaturabnahme so fort…

…bis 4°C erreicht wurden. Bei dieser Temperatur besaß die Steighöhe/das Wasservolumen mit h = –6.1 cm ein Minimum und demnach die Wasserdichte ein Maximum:

Unter 4°C nahm die Steighöhe dann wieder leicht zu. Dank zweier Tiefkühlpizzen konnte ich dann schlussendlich eine Wassertemperatur von 0.7°C erreichen…

Hier nun die Messergebnisse bzw. grafisch die Wasserdichte in Abhängigkeit von der Temperatur:

Man erkennt deutlich das Maximum bei 4°C, Heureka 🙂