Warum wird fließendes Wasser nicht warm?

Hallo,

zuerst einmal möchte ich mich für den längeren Text im Anschluss entschuldigen, aber ich denke es gibt hier ein paar Dinge die richtig gestellt werden sollten. Anfang:

Ich denke da spielen schon mehrere Effekte mit herein. Betrachten wir das am Beispiel des Flusses.

Zwei Fälle zur Erwärmung:

Im ersten Fall fließt das Wasser relativ langsam und dadurch glatt über den Flussboden. Dann wird es das Wasser an verschiedenen Stellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fließen. Am Flussboden langsam und etwa an der Oberfläche in der Mitte am schnellsten. Es ist sogar so, dass das Wasser direkt am Boden gar nicht fließt, das ist gesichert. Man stellt sich das Wasser dann schichtweise vor, wobei sich jede Schicht mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt. Das nennt man dann übrigens "laminares" Strömen. Diese Schichten reiben dann aneinander und erzeugen dabei Wärme. Soweit zur Vorstellung.

Der zweite und realistischere Fall ist der, dass durch Unebenheiten und größere Geschwindigkeiten das Wasser "turbulent" strömt. Das heißt es bilden sich die wohl bekannten Strudel und Wellen aus, ohne die es wohl kein Rafting geben würde ;-) . Wenn wir einen der Strudel betrachten, dann können wir uns denken, dass es auch dort Schichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gibt, die aneinander reiben. Denn genau in der Mitte des Strudels steht das Wasser und am Rand fließt es sehr schnell. Das heißt auf kleinem Raum gibt es relativ viel Reibung und damit entsteht pro Volumen Wasser auch mehr Wärme als im ersteren Fall.

Gemeinsam ist den beiden Fällen, dass die gerichtete Bewegung des Wassers (Fließen) in Wärme, also eine nicht gerichtete, innere Bewegung des Wassers, umgewandelt wird.

Wenn es also danach geht, dann würde sich das Wasser erwärmen und irgendwann anfangen zu kochen. Allerdings würde auch das etwas dauern, denn die Wärmekapazität von Wasser ist recht groß.

Es gibt aber auch kühlende Prozesse.

Und zwar ist das einerseits der Temperaturaustausch von Luft und Wasser. Das heißt, wenn das Wasser kälter ist als die Luft, wird die Luft das Wasser erwärmen. Und umgekehrt wird Wasser, dass wärmer ist als die Luft, abgekühlt, da die Luft dem Wasser dann quasi Wärme entzieht. Wären Luft und Wasser fest, könnte man sich das vorstellen, als ob Wasser und Luft Schwingungen (auch Phononen genannt) miteinander austauschen. Da das aber nicht der Fall ist, werden auch keine Schwingungen ausgetauscht sondern es finden eher Impulsüberträge von Wasserteilchen auf Luftteilchen statt und umgekehrt, ähnlich wie mit Billardkugeln. Man könnte also vermuten, dass ein Fluss im Vakuum sich durch Reibung immer weiter erwärmt, bis er kocht, da er ja seine Wärme nicht abgeben kann an die Umgebung. Das wird sich aber als falsch erweisen.

Der zweite kühlende Effekt, der mir einfällt und wohl wichtiger ist, kommt durch die Verdunstung von Wasser zustande. Das kann man sich wie folgt vorstellen. In jeder Flüssigkeit gibt es sehr viele Atome oder hier Moleküle, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Siehe maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung. (und über die mittlere Geschwindigkeit kann man die Temperatur ermitteln). Die schnellsten Moleküle können dann an der Oberfläche das Wassers austreten, gehen in den gasförmigen Zustand über und lassen die flüssigen Moleküle effektiv mit einer geringeren Temperatur zurück, denn die mittlere Geschwindigkeit ist danach ja geringer. Aber auch danach sind die Wassermoleküle wieder so miteinander gestoßen, dass es wieder sehr schnelle und sehr langsame Moleküle innerhalb der Flüssigkeit gibt. Und die schnellen können eventuell wieder austreten und das Wasser weiter kühlen. Das passiert so lange, bis die Luft gesättigt ist mit Wasser. In dem Fall der Sättigung wären Verdunstung und Kondensation im Gleichgewicht. Also Verdampfungswärme = Kondensationswärme. Und durch diesen Effekt würde das Wasser nicht weiter gekühlt werden. Da aber die Luft stetig ausgetauscht wird, wird sie auch nicht gesättigt durch den Fluss.

Die Verdampfungswärme ist übrigens betragsmäßig recht groß. So verdunstet der Körper beim Schwitzen nur einige bis ein paar hundert Milliliter Wasser und kühlt damit den ganzen Körper, der mehrere Liter Wasser enthält, um mehrere Grad. Aus diesem Grund würde übrigens auch ein Fluss im Vakuum nicht heißer werden, sondern direkt bei seiner Temperatur kochen und verdunsten und stark abkühlen, bis das gesamte Vakuum mit Wasserdampf gesättigt ist.

Für unseren normalen Fluss heißt das also: je nach Außentemperatur, Luftfeuchte, Strömungsgeschwindigkeit des Wassers und Untergrund stellt sich ein Gleichgewicht der erwärmenden und abkühlenden Prozesse ein. Ich würde schätzen, dass dadurch die Flusstemperatur im Normalfall leicht unterhalb der Lufttemperatur liegt.

Es wird nur ganz ganz ganz ganz ganz ganz wenig warm.

Die Dichte von Wasser ist sehr niedrig, daher ist die Reibung auch gering. Noch geringer ist die Dichte von Luft, und hast du je davon gehört, dass die Luftreibung bei Stürmen Wärmeprobleme schafft? Nein, nicht wahr? Siehst du...

@ idril: Der Föhn erwärmt sich zwar, aber nicht wegen der Reibung, sondern aufgrund der Thermodynamik bei vertikalen Luftbewegungen.

herr pilsner hat recht: es wird ganz wenig warm..aber es wird warm...

NEIN sie "reiben" eben nicht. Stell dir die Wassermoleküle als Kügelchen vor, sie "rollen" mehr über die Oberflächen als das sie einen reibenden Effekt hätten.

Die Abrasion des Wassers an Gesteinen ist ein Prozess der Jahrhunderte benötigt um sichtbar zu werden, der Einwand "Wasser reibt ja doch!" ist also im Bezug auf eine messbare Erwärmung, nicht gerechtfertigt.

Reibung geschieht am Besten zwischen zwei Festkörpern, da hier das Bestreben aller Grenzflächenatome, an ihrer Position zu bleiben, am Größten ist. Reibung benötigt auch vor allem Rauheit, also die Unebenheit einer Kontaktfläche. Wie sicherlich bekannt ist, passt sich Wasser allen Unebenheiten an, sonst wäre die Wasseroberfläche in der Badewanne auch nicht glatt, wenn man drin liegt. Deswegen ist eine Reibung wiederum unwahrscheinlich, da sich in den Unebenheiten lediglich Wirbel oder Gebiete mit höherem Druck bilden, und so nach außen hin für das vorüberfließende Wasser eher wie eine ebene Fläche wirken.

Nächster Punkt: Der reibende Effekt würde grundsätzlich nur an Grenzflächen stattfinden. Da jedoch sehr viel mehr Wasser in der "Flussmitte" fließt, welches die Flächen also nicht berührt, ist eine erfassbare Erwärmung des gesamten Flusslaufs, ebenso unwahrscheinlich.

Die Wärme von Föhnwinden mit der "Reibung" der Luftmoleküle in Verbindung zu bringen ist übrigens absoluter Unfug.

Sie kommt durch das vorhergehende Abregnen der Luftfeuchtigkeit zustande, die an die Luft ihre Kondensationswärme abgab.

Weil es durch die Verdunstung wieder abkühlt. Es nimmt nur langsam die Lufttemperatur an, je weiter es fließt.

@ Kapaun

Luft wird durchaus wärmer. Schonmal was von Föhn gehört? Das ist ein Fallwind und erwärmt sich dabei. Föhn ist immer wärmer, als die normale Temperatur grade wäre.

weil wasser keine wärme aufnehmen kan