From ice-skating and water films / Über Schlittschuhlaufen und Wasserfilme
Hey Steemians!
Last time, I showed you some coloured flames and talked about lazy electrons. In today’s popular scientific post, we will have a look at how to melt ice. You say it’s trivial? Heat it a little bit and it’s gone? Well, that’s right, but I think everyone can do it by this way. But we want to use some more creative options.
The method of salting the ice like it’s done on the streets during winter might be well-known. But why can salt melt the ice? Well, actually it doesn’t melt the ice but dissolves at first. This can happen because there is a minimal layer of water on every layer of ice (apart from some gritters that spread pre-dissolved salt). This is due to a so-called dynamic equilibrium, i. e. that a little amount of ice is permanently melting and at the same time water is freezing. (By the way, this equilibrium exists also between water and steam; for this reason, e.g. puddles get smaller by and by because the steam gets taken away from the surface – especially if the weather is windy – and more water evaporates than steam condenses.)
But back to our water film: The salt is slowly dissolving and causes a helpful effect, the so-called freezing-point depression. This means that water doesn’t freeze at 0 °C/32 °F but only below that. The new freezing-point is mainly depending from the amount of dissolved salt – the right mixture can reach about -18 °C/-0.4 °F. Because the salted water is no longer freezing but the ice still melting, the salt is distributing little by little and the ice will melt completely – at least as long as the temperature will not decrease or fresh water dilutes the salt.
Even if it is often used, it might be less known that water shows an extraordinary behavior: contrary to other substances the freezing-point is not only depressed by dissolving salts but also under high pressure. In other words: if you press hard enough on it, ice will melt. Those of you that have ice-skated used the phenomenon already – probably unknowingly.
In physics, we learn that pressure is defined as a certain force that acts on a certain area. If we look at the skids of ice-skaters, we find that these are very thin, like the blade of a knife. Standing on ice-skates, our weight is distributed only on this small area and we exert a high pressure on the ground. When we stand on ice, the pressure is enough to melt the ice a little bit so that we can skate on a thin water film in a small channel.
The effect can be seen in the video down below. A weight (here water-filled bottles) is fixed on a thin wire and laid on an ice block. Because of the pressure, the ice is melting beneath the wire and the wire goes down. A quite funny effect is also visible in this experiment. As the wire goes down in the ice and because the walls consist of cold ice, the water above the wire is freezing again. So, the wire cuts through the ice block but the block isn’t divided into two parts. If you want to reproduce the experiment: The thinner the wire, the better it works – surely not too thin so that it cracks because of the weight.
See you next time! Let me know your suggestions, comments and wishes!
Hey Steemians!
Beim letzten Mal habe ich euch gefärbte Flammen gezeigt und über faule Elektronen gesprochen. Im heutigen populärwissenschaftlichen Artikel wollen wir uns einmal anschauen, wie man Eis zum Schmelzen bringen kann. Trivial, sagt ihr? Ein bisschen warm machen und schon ist es weg? Stimmt wohl, kann aber jeder. Wir wollen uns aber kreativere Möglichkeiten anschauen.
Ziemlich bekannt dürfte außerdem die Methode sein, Salz auf das Eis zu streuen, wie es im Winter auf den Straßen zuhauf getan wird. Aber warum schmilzt das Eis wegen des Salzes eigentlich? Nun, eigentlich tut es das gar nicht, sondern das Salz löst sich zunächst mal auf. Das klappt, weil sich auf jeder Eisschicht immer auch eine minimale Schicht flüssiges Wasser befindet (abgesehen davon, dass ein Streufahrzeug manchmal auch vorgelöstes Salz verstreut). Das liegt an einem so genannten dynamischen Gleichgewicht, d.h. ständig schmilzt eine geringe Menge Eis und gleichzeitig gefriert etwas Wasser (übrigens besteht dieses Gleichgewicht auch zwischen Wasser und Dampf; deshalb werden z.B. Pfützen mit der Zeit kleiner, da der Dampf – besonders bei windigem Wetter – immer von der Oberfläche vertrieben wird und daher mehr Wasser verdampft als Dampf flüssig wird).
Zurück zu unserer Wasserschicht: Hier löst sich das Salz langsam auf und verursacht einen hilfreichen Effekt, nämlich die Gefrierpunktserniedrigung. Das bedeutet, das Wasser gefriert nun nicht mehr bei 0 °C, sondern erst bei Minustemperaturen. Bei welcher Temperatur genau hängt hauptsächlich von der Menge an gelöstem Salz ab – mit der richtigen Mischung kann man etwa -18 °C für den Gefrierpunkt erreichen. Da das gesalzene Wasser nun nicht mehr gefriert aber das Eis immer noch ein wenig auftaut, verteilt sich das Salz nach und nach und das Eis wird komplett flüssig – zumindest solange es nicht kälter wird oder frisches Wasser hinzukommt und das Salzwasser verdünnt.
Vielleicht weniger bekannt aber doch häufig ausgenutzt ist die Tatsache, dass Wasser ein ungewöhnliches Verhalten zeigt: Im Gegensatz zu anderen Stoffen wird der Gefrierpunkt nicht nur beim Auflösen von Salzen, sondern auch unter erhöhtem Druck herabgesetzt. Anders formuliert: Wenn man nur fest genug darauf drückt, wird Eis flüssig. Wenn ihr schon einmal Schlittschuhlaufen wart, habt ihr euch dieses Phänomen – vermutlich unbewusst – zunutze gemacht.
In Physik lernen wir, dass der Druck einer bestimmten Kraft entspricht, die auf eine bestimmte Fläche ausgeübt wird. Schauen wir uns die Kufen von Schlittschuhen an, so sehen wir, dass diese wie eine Messerschneide sehr dünn sind. Stehen wir nun in den Schuhen, verteilt sich unser Gewicht auf eben genau diese kleine Fläche und übt daher einen großen Druck auf den Boden aus. Wenn wir auf Eis stehen, reicht der Druck aus, um das Eis ein wenig zu schmelzen, so dass wir auf einem dünnen Wasserfilm in einer kleinen Rinne gleiten können.
Den Effekt kann man auch im Video unten sehen: An einem dünnen Draht werden Gewichte befestigt (hier mit Wasser gefüllte Flaschen) und dieser wird auf einen Eisblock gelegt. Durch den Druck schmilzt das Eis unter dem Draht und er wandert nach unten. Ein witziger Effekt ist bei diesem Experiment ebenfalls sichtbar: Da der Draht durch die Schwerkraft immer unten in der Rinne ist und sich an den Wänden 0 °C kaltes Eis befindet, friert das Wasser über dem Draht immer wieder fest. Der Draht kann also durch den Eisblock wandern und dennoch ist der Block hinterher nicht geteilt. Wenn ihr das Experiment nachmachen wollt: Es funktioniert besser, je dünner der Draht ist – natürlich nicht so dünn, dass er das Gewicht nicht hält und reißt.
Bis zum nächsten Mal und lasst mich gerne eure Anregungen, Kommentare und Wünsche wissen!
Gut verständlich erklärt - sehr interessant zu lesen!
Dankeschön. Bestimmt geht's bald weiter ^_^
Schöner und spannender Post. Werde mal schauen mit welchem Beispiel ich meine Kids beeindrucken kann.
Danke! Viel Erfolg mit den Kids - ist evtl nicht ganz so spektakulär, dafür aber immerhin ungefährlich. Zumindest, wenn man sich nicht unterkühlt oder das Eis auf den Fuß fallen lässt ;-)