imported>Alturand: Anmerkung durch WIkilink ersetzt.

2025-03-02T15:54:47Z

Anmerkung durch WIkilink ersetzt.

Neue Seite

[[Datei:Surfusion.ogv|mini|Spontankristallisation unterkühlter Flüssigkeit bei Störung]]
'''Unterkühlung''' bezeichnet in der [[Thermodynamik]] einen [[Metastabilität|metastabilen]] Zustand, wenn ein [[Phasenübergang]] (trotz Unterschreiten der [[Umwandlungstemperatur]]) nicht stattfindet, bspw. da er aufgrund fehlender wachstumsfähiger [[Keimbildung|Keime]] gehemmt ist.

''Siehe auch: [[Amorphes Material]], [[Glasübergangstemperatur|Glasübergang]]''

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 [[Erstarren|Gefrier]]<nowiki/>verzögerung (Kristallisationsverzug), ([[Glas|Unterkühlte Flüssigkeiten]])
* die [[Kondensation]]s<nowiki/>verzögerung (unterkühltes bzw. übersättigtes Gas)
* verzögerte Fest-Fest-Phasenumwandlung ([[Sublimation (Phasenübergang)|Resublimation]])
Manchmal wird auch eine [[Übersättigung]], die durch Abkühlen entsteht, mit zur Unterkühlung gezählt. Wird der Stoff dagegen über die Temperatur des Phasenübergangs hinaus erwärmt, ohne zu [[sieden]], wird das analog zur Unterkühlung als [[Siedeverzug|überhitzte Flüssigkeit]] bezeichnet. Jedoch ist diese Definition aus physikalischer Sicht etwas irreführend, da sich ein [[Siedeverzug]] auch bei schon vorhandener Gasphase einstellen kann, und ein Phasenübergang kann auch beim Überschreiten der Siedetemperatur weiterhin stattfinden.

== Gefrierverzögerung ==
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, kann jedoch unter Freisetzung der [[Schmelzenthalpie]] zu [[Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik#Spontan ablaufende Prozesse|spontaner]] [[Kristallisation]] führen. 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, und nicht allzu sensibel auf Erschütterungen etc. reagiert, ermöglicht [[Energiespeicher]]ung in Form von Wärme ([[Latentwärmespeicher]]). Dieser Effekt wird unter anderem bei [[Wärmekissen|Handwärmern]] genutzt.

== Ursache ==
Unterkühlung tritt bei Phasenübergängen erster Ordnung (diskontinuierlichen Phasenübergängen) auf, in denen zwei Phasen koexistieren. Für den Übergang ist zunächst die Bildung einer [[Phasengrenze|Grenzfläche]] zwischen den Phasen nötig, wofür eine Energieschwelle überwunden werden muss, die den Übergang [[Kinetik (Chemie)|kinetisch]] hemmt.<ref>{{Literatur |Autor=A. Bratz, I. Egry, T. Volkmann |Titel=Keimbildung |Seiten=109 |Hrsg=P. R. Sahm, I. Egry, T. Volkmann |Sammelwerk=Schmelze, Erstarrung, Grenzflächen |Datum=1999 |Verlag=Springer |Ort=Berlin, Heidelberg |DOI=10.1007/978-3-642-58523-4_5}}</ref> Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahrzehnten ist jedoch die Ursache dieser Phänomene beim sogenannten [[Glasübergangstemperatur|Glasübergang]] noch immer nicht vollständig verstanden.<ref>{{Internetquelle |autor=Institut für Physik Kondensierter Materie |url=https://www.ipkm.tu-darmstadt.de/research_ipkm/vogel_group/research_vogel/glas_transition/index.de.jsp |titel=Glasübergang - AG Vogel |sprache=de |abruf=2025-02-11}}</ref>

Zur Änderung des Aggregatzustands ist ein Kristallisationskeim notwendig. Beispielsweise wachsen [[Eis]]kristalle nur auf vorhandenen Eiskristallen und bestimmten anderen Fremdsubstanzen. Sind diese Kristallisationskeime nicht vorhanden, so kann eine Kristallisation und damit die Aggregatzustandsänderung nicht mit dem Erreichen der [[Umwandlungstemperatur]] eintreten. Um dennoch eine Keimbildung (also Eiskristalle) zu erhalten, muss die Flüssigkeit zunächst unterkühlt werden.

== 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 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 °C.<ref name="Plank" />

== Siehe auch ==

* [[Siedeverzug]] - ein ähnliches Phänomen am oberen Ende des flüssigen Aggregatzustands

== Weblinks ==
* [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]]

== Einzelnachweise ==
<references>
<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, 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

<ref name="Kämpfert">{{Internetquelle |autor=Hans-Jürgen Kämpfert |url= http://kulturportal-west-ost.eu/biographien/conradi-karl-friedrich-freiherr-von-2 |titel=Conradi, Karl Friedrich Freiherr von |titelerg=Schulstifter |werk=Ostdeutsche Biographie |hrsg= Kulturportal West Ost |zugriff=2017-05-04}}</ref>

<ref name="Versuche1747">{{Literatur |Titel=Allerhand Nützliche Versuche |TitelErg=Dadurch Zu genauer Erkäntniß Der Natur und Kunst Der Weg gebähnet wird |Hrsg=Christian Freiherr von Wolff | Band=2 |Verlag=Renger |Ort=Halle |Datum=1747 |Kapitel=VIII Von der Wärme und Kälte |Seiten=345 |Online={{Google Buch | BuchID=FiFaAAAAcAAJ |Seite=345}} |Abruf=2017-05-04 |Zitat=Ein gelehrter Medicus in Danzig Israel Conradi, der A. 1677 eine grosse Anzahl Experimente von der Kälte drucken lassen}}</ref>

<ref name="Kästner1754">{{Literatur |Titel=Physikalische Bibliothek |TitelErg=worinnen die vornehmsten Schriften die zur Naturlehre gehören, angezeiget werden, mit vielen Zusätzen und Verbesserungen |Hrsg=Abraham Gotthelf Kästner |Verlag=Johann Wendlern |Ort=Leipzig |Datum=1754 |Kapitel=7. Von der Luft. §12 |Seiten=193 |Online={{Google Buch | BuchID=_Z4yAQAAMAAJ |Seite=193}} |Abruf=2017-05-04 |Zitat=Von der Natur und Wirkung der Kälte hat Israel Conradi 1677, in besondern Dissertationen mancherley zusammen getragen.}}</ref>

<ref name="Conradi1677">{{Literatur |Autor=Israel Conradi |Titel=Dissertation medico-physica de frigoris natura et effectibus |Ort=[[Kloster Oliva]] (monasterii Olivensis) |Datum=1677 |Sprache=la |Kommentar=MDCLXXVII=1677 |Online={{Google Buch | BuchID=WBJmAAAAcAAJ}} |Abruf=2017-05-04}}</ref>

<ref name="Mach1896">{{Literatur |Autor=[[Ernst Mach]] |Titel=Die Principien der Wärmelehre |TitelErg=Historisch-kritisch entwickelt |Verlag=Johann Ambrosius Barth |Ort=Leipzig |Datum=1896 |Kapitel=Historische Uebersicht der Entwicklung der Calorimetrie |Seiten=163 |Online=[https://archive.org/stream/dieprincipiende02machgoog#page/n183/mode/2up online im Internet Archive] |Abruf=2017-05-04}}</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>

<ref name="Blagden">{{Literatur |Autor=[[Charles Blagden]] |Titel=Experiments on the cooling of Water below its freezing Point |TitelErg=Read January 31, 1788 |Hrsg=Royal Society |Sammelwerk=Philosophical Transactions of the Royal Society of London |Band=78 |Ort=London |Datum=1788 |Sprache=en |Kommentar=Blagden verwendet die [[Fahrenheit-Skala]], d. h. der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 32° |Seiten=125–146 |DOI=10.1098/rstl.1788.0011 |JSTOR=106652 | Zitat=the distilled water readily sunk many degrees below 32°, still continuing fluid […] the greatest cooling usually took place when the water was most clear}}</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>

</references>

{{SORTIERUNG:Unterkuhlung}}
[[Kategorie:Thermodynamik]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]

Unterkühlung (Thermodynamik) - Versionsgeschichte

imported>Alturand: Anmerkung durch WIkilink ersetzt.