Frage:

Wieso kocht Wasser ringförmig?

Antwort:

Wenn eine Flüssigkeit warm wird, dehnt sie sich aus. Das bedeutet, dass ihre Dichte abnimmt. Schaltet man eine Herdplatte an, auf der ein Topf mit kaltem Wasser steht, überträgt sich die Hitze zunächst auf das Wasser ganz unten im Topf. Das Wasser in dieser Schicht dehnt sich aus und ist somit leichter als das Wasser weiter oben im Topf. Wegen des Auftriebs drängt nun das leichtere Wasser nach oben, während das schwere Wasser nach unten sinken will. Doch wie arrangieren sich die beiden Wassermassen? Denn in der Tat kann nicht gleichzeitig das heiße Wasser nach oben steigen und das kalte Wasser nach unten strömen.

Abb. Mathieu Gibert

Zum Glück reicht eine kleine Asymmetrie, um eine Art Kreisstrom in Gang zu setzen. Dies zeigt die Abbildung. Die roten Wasserteilchen in dem rechteckigen Gefäß sind ausgedehnt und leicht. Sie drängen nach oben. Die kleinen und schweren blauen Teilchen wollen nach unten. Im Bild gibt es nur zwei Öffnungen, die den kalten Teil des Gefäßes mit dem warmen verbinden. Um zu entscheiden, in welche Richtung der Kreisstrom durch die Öffnungen fließt, reicht es, wenn beispielsweise einige Teilchen auf der rechten Seite des Gefäßes ein wenig kälter sind oder einige Teilchen auf der linken Seite etwas wärmer. Das löst den Kreisstrom aus. Auf diese Weise wird die Hitze vom Boden des Topfes, wo die Heizplatte die Wasserteilchen erwärmt, nach oben transportiert. Die Luft kühlt das Wasser ab und es sinkt wieder nach unten. Diese Art des Wärmetransports nennt man Konvektion. Das bedeutet, dass die Bewegung der Flüssigkeitsteilchen für den Wärmetransport verantwortlich ist.

Im Falle des Kochtopfes geschieht dasselbe wie in der Abbildungen ─ nur ringförmig. Da die Umgebungsluft den Topf von außen kühlt, ist das Wasser am Rand des Topfes ein wenig kälter als innen.  Für die Teilchen ist es deshalb einfacher, am Rand des Topfes abzusinken und in der Mitte hochzusteigen. Wegen dieses Temperaturunterschiedes und der Form des Topfes entsteht so ein Kreisstrom zwischen Innen und Außen. Von oben betrachtet macht sich dies durch ein ringförmiges Muster im Topf bemerkbar.

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