Monat: Juni 2023

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Die Frage

Gestern kam in einer Telko des Arbeitskreises Blautor ein spannendes Thema auf. In einer Show wurde wohl die Frage gestellt, ob heißes oder kaltes Wasser schneller gefriert. Und ja, so seltsam es klingt. Unter gewissen Umständen gefriert das heiße Wasser schneller.
Natürlich hatte ich von diesem Phänomen schon gehört. Ich wusste auch, dass es bis heute nicht eindeutig erklärt ist, und dass ein Eisverkäufer eine Rolle in der Angelegenheit spielt.
ChatGPT lieferte mir hier nur schwache Anhaltspunkte, aber einige Stichworte dann doch.

Nun gut. dann setzen wir die Bruchstücke meiner Erinnerung, das Geschwurbel von ChatGPT und etwas Wiki zusammen, und machen daraus eine erzählbare Geschichte.

Das Phänomen

Das Phänomen, bei dem warmes Wasser schneller zu gefrieren scheint als kaltes Wasser, wird als das Mpemba-Phänomen bezeichnet. Es ist benannt nach dem tansanischen Schüler Erasto Mpemba, der es 1963 wieder entdeckte.

Wieder entdeckt deshalb, weil das Phänomen schon bei den alten Griechen erwähnt wurde.
Von schnellerem Gefrieren erwärmten Wassers berichtete bereits im vierten vorchristlichen Jahrhundert der Philosoph Aristoteles als Beispiel für die von ihm postulierte Antiperistasis, die folgendes beschreibt:
Eine Eigenschaft, z. B. die Temperatur eines Körpers ändert sich, wenn dieser sich in einer Umgebung anderer Temperatur befindet,

Im 13. Jahrhundert diskutierte dies der Mönch und Philosoph Roger Bacon (Opus Majus 6.1).
Im 17. Jahrhundert erwähnten die Philosophen und Wissenschaftler Francis Bacon (Novum Organum 2.50) und René Descartes (Les météores 1) den Effekt.

1775 erschien eine Arbeit von dem schottischen Wissenschaftler Joseph Black, in der er den Effekt anhand von Experimenten sicherstellte.
1788 bemerkte der erste deutsche Professor für Experimentalphysik Georg Christoph Lichtenberg bei eigenen Versuchen einen solchen Vorgang, konnte ihn aber nicht zuverlässig reproduzieren.

1963 stieß also nun der tansanische Schüler und Eisverkäufer Erasto B. Mpemba auf das Phänomen, als er Speiseeis herstellte. Zusammen mit Denis G. Osborne veröffentlichte er 1969 die Ergebnisse zahlreicher Versuche zu diesem Thema. Jedoch dauerte es einige Jahre, bis der Effekt weiter wissenschaftlich untersucht wurde.
2016 erschien ein Übersichtsartikel, der darstellt, dass der Effekt, in der Definition „Abkühlung bis zum Gefrierpunkt“, angeblich nicht existiert.

2022 in „Mpemba Effect Demystified“ wurde der Mpemba-Effekt erklärt, aber eben noch nicht vollständig.

Ein Beispiel aus dem Leben

Hier ein Beispiel eines Naturvolkes, das das Phänomen bis heute zu nutzen scheint.
Wenn die Bewohner der Pontusgegenden auf dem Eis ihre Hütten für den Fischfang aufschlagen, erwärmen sie ihre Angelruten zunächst in der Sonne, oder schütten sogar heißes Wasser darüber, um sie dann rascher vereisen lassen zu können. Sie benutzen das Eis anstelle von Blei, um ihre Ruten zu beschweren.
Dann schlagen sie Löcher in das Eis, um zu fischen.

Erklärungsversuche

Bis heute ist das Mpemba-Phänomen immer noch Gegenstand wissenschaftlicher Diskussionen und es gibt keine eindeutige Antwort auf die Ursache.
Es gibt mehrere mögliche Erklärungen für das Phänomen, aber keine davon ist allgemein akzeptiert. Hier sind einige der vorgeschlagenen Mechanismen:

1. Verdunstung:

Wenn Wasser verdunstet, entzieht es der verbleibenden Flüssigkeit Wärme, was zu einer Abkühlung führt. Dieser Effekt könnte dazu führen, dass warmes Wasser schneller abkühlt und schließlich gefriert.

Durch Verdunstung kühlen wir unseren Körper, indem wir schwitzen. Wenn man Alkohol, z. für eine Desinfektion auf die Haut gibt, spürt man ganz deutlich, dass es an der Stelle richtig kühl wird. Bei entweichenden Gasen, z. B. aus einer Gasflasche oder aus einem Feuerzeug ist der Effekt noch deutlich stärker zu spüren. So vereisen beispielsweise Heizungsmonteure die Rohrenden, mit Stickstoff oder Trockeneis (CO2), wenn sie verhindern wollen, dass Wasser austritt, ohne einen Pfropfen benutzen zu müssen.
Wenn eine Flüssigkeit verdunstet, dann wechselt sie von flüssig zu gasförmig. Solch ein Zustandswechsel verbraucht deutlich mehr Energie, als einfach nur durch normale Abkühlung frei wird.
Deshalb kühlt heißes Wasser durch den verdunstenden Dampf rascher ab als kaltes.
Ich bin immer wieder davon beeindruckt, wie lange sich Schnee gegen die warme Sonne behaupten kann. Das liegt daran, das ungeheuer viel Energie nötig ist, damit Eis einfach in flüssiges Wasser über gehen kann.

2) Konvektion:

Konvektion erleben wir im Alltag ganz besonders, wenn wir Wasser kochen. Heißes Wasser ist leichter als kaltes. Es steigt auf und bildet Blasen. Das kalte Wasser sinkt dann ab. Dadurch entstehen Konvektionsströme, um Wärmeunterschiede auszugleichen. Wetterphänomene und Meeresströmungen sind ebenfalls Beispiele für Konvektion, wobei diese noch von der Erddrehung überlagert werden. Und ja, betrachtet man unsere Sonne mit speziellen Filtern, dann kann man sehen, dass es auch auf ihrer Oberfläche blubbert und brodelt.

Konvektion verbraucht dann auch dadurch Energie, weil Teilchen der Flüssigkeit in Bewegung versetzt werden. Das könnte eventuell dazu beitragen, dass warmes Wasser tatsächlich schneller erkaltet.

3) Überkühlung:

Bei dieser dritten Idee bin ich fast sicher, dass ChatGPT schwurbelt. Mir sind da zu viele Ungenauigkeiten darin.
Dennoch könnte unter gewissen Umständen die Überkühlung von Wasser eine Rolle spielen.
Ich schreibe hier mal ohne Gewähr, was ich dazu weiß und verstanden habe.

Überkühlt ist eine Flüssigkeit dann, wenn sie noch flüssig ist, obwohl sie bereits eine Temperatur unter ihrem Gefrierpunkt erreicht hat. Für Wasser also unter 0 Grad C.
Hier spielen chemische Verunreinigungen eine Rolle. Wir kennen das im Winter, wenn wir unsere Straßen salzen. Salz bewirkt, dass sich der Gefrierpunkt von Wasser weit in den Minusbereich verschiebt. Deshalb „schmilzt“ unser gesalzenes Eis, obwohl es weit unter 0 Grad kalt ist.
Bedenken wir, dass der Wiederentdecker des Effektes ein Macher von Speiseeis war. Somit hat er eventuell das Phänomen gar nicht nur in reinem Wasser gefunden, sondern in Flüssigkeiten und Säften, die dann zu Speiseeis verarbeitet wurden.

Es wäre an dieser Stelle tatsächlich spannend, ob der Effekt auch mit destiliertem Wasser auftritt. Darüber habe ich aber leider jetzt, so auf die Schnelle nichts gefunden.

Wie auch immer.
theoretisch kann es wärme- und energietechnisch schon zu einer Situation kommen, dass warmes Wasser seine Energie auf eine Weise schneller los wird, als kaltes Wasser.
Um derlei zu beschreiben, benötigt man dann aber sehr komplizierte mathematische Gleichungen.
Solche Wärmegleichungen, auch Adiabaten-Gleichungen genannt, werden sehr schnell unübersichtlich, enthalten sehr viele Variablen und können sogar unlösbar in chaotische Zustände geraten.

Die Thermodynamik, wie man diese Spielart in der Physik nennt, ist mit ihrem Hauptsätzen und der Entropie eine sehr schmerzhaft zu erlernende Disziplin, wie ich in meinem Studium erleben durfte.
Sie ist so mächtig, dass die Verletzung eines ihrer Gesetze das ganze Universum aus den Angeln heben könnte.

Das war sie, die Sommergeschichte vom Eisverkäufer und dem neu entdeckten alten Phänomen.

Fazit:

Es ist wichtig zu beachten, dass das Mpemba-Phänomen nicht immer auftritt und von verschiedenen Faktoren wie der Qualität des Wassers, dem verwendeten Gefäß, der Umgebungstemperatur und anderen Variablen abhängen kann. Wissenschaftliche Studien haben unterschiedliche Ergebnisse hervorgebracht, und es bedarf weiterer Forschung, um das Phänomen vollständig zu verstehen.

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Meine lieben,

heute greife ich der Zeit etwas voraus. Der heutige Artikel soll mal um den kommenden Feiertag des Fronleichnam gehen. Da ich aber zu dieser Zeit auf einer wunderbaren Chorfreizeit sein werde, an einem Ort, wo man nicht so einfach auf das solide deutsche Internet vertrauen kann, veröffentliche ich etwas früher. Und ach ja, den Chor kennen viele aus meinen Adventskalendern, wo unsere Weihnachtslieder bereits erklangen.
Ich traue es mich jetzt einfach mal, euch auch in der Sommerzeit auf unsere Weihnachtslieder zu schicken. Immerhin nahmen wir unsere Weihnachtslieder im Hochsommer auf, und eine ganz liebe Mutter einer wunderbaren Alt-Stimme backte sogar trotz brüllender Hitze Weihnachtskekse für uns. Das war ein Spaß.
Also, zur Sommerweihnacht bitte hier lang.

Wenn ihr euch jetzt fragt, was dieser Fronleichnams-Feiertag mit Astronomie zu tun hat, dann fragt ihr euch das absolut mit Recht. Heute führt uns unsere Geschichte tatsächlich nicht in die Astronomie, sondern in die Mikrobiologie. Bevor wir aber damit beginnen, sollten wir erst mal für alle klären, was Fronleichnam überhaupt ist, und weshalb er gefeiert wird.

Was ist Fronleichnam

Fragen wir doch dazu mal wieder unsere künstliche Intelligenz, und stoppen sie, wenn sie es zu bunt treiben möchte.

Fronleichnam ist ein katholischer Feiertag, der in einigen Ländern, insbesondere in Deutschland, Österreich, der Schweiz, Belgien, den Niederlanden und einigen Teilen der Schweiz, gefeiert wird. Der Name „Fronleichnam“ stammt aus dem Mittelhochdeutschen und bedeutet wörtlich „Leib des Herrn“.
Der Feiertag findet immer am zweiten Donnerstag nach Pfingsten statt und wird zur Feier der leiblichen Gegenwart Jesu Christi im Sakrament der Eucharistie begangen. Es ist eine Möglichkeit für die Gläubigen, ihre Verehrung für das Sakrament der Eucharistie auszudrücken, bei dem Brot und Wein als Symbol für den Leib und das Blut Christi betrachtet werden.
Während des Fronleichnamsfestes findet eine Prozession statt, bei der der Priester die geweihte Hostie in einer Monstranz, einem speziellen Behältnis für die Darstellung der Hostie, durch die Straßen trägt. Die Gläubigen begleiten die Prozession, beten und singen religiöse Lieder.
Fronleichnam ist ein gesetzlicher Feiertag in den meisten Bundesländern Deutschlands, was bedeutet, dass an diesem Tag Schulen und viele Unternehmen geschlossen sind. Es ist auch ein Tag, an dem viele Menschen an Gottesdiensten und Prozessionen teilnehmen, um ihren Glauben zu feiern.

Wann ist Fronleichnam – Wir erinnern uns

Wir erinnern uns:
Fronleichnam hängt durchaus von astronomischen Gegebenheiten ab. Der Tag findet stets zehn Tage nach Pfingstmomtag statt. Somit fällt dieser Tag immer auf den übernächsten Donnerstag nach Pfingstmomtag.
Pfingsten hängt davon ab, auf welchen Sonntag der Ostersonntag fällt. 50 Tage nach Ostern ist Pfingsten.
Der Ostersonntag fällt meistens auf den Sonntag nach dem ersten Frühlingsvollmond. Dieser wiederum ist der erste Vollmond nach dem astronomischen Frühlingsbeginn, der kalendarisch am 21.03. stattfindet.
Wie sich das alles genau berechnet, beschrieb ich beispielsweise in dem Artikel Wieso ist Ostern manchmal so früh, und manchmal so spät.

Und nun zu unserer Frage und Geschichte:

Was hat Fronleichnam eigentlich mit Mikrobiologie zu tun …?

Das beantworte ich euch lieber selbst, weil die hölzerne KI das nicht so schön kann, damit daraus eine Geschichte wird.

Dazu müssen wir zurückreisen ins tiefste und blutige Mittelalter…in einen Mikrobenzirkus-

Im Jahre 1264 ereignete sich ein bemerkenswertes „Blutwunder“ in der Kirche der heiligen Christina in Bolsena (Italien).
Der böhmische Mönch, Peter von Prag, bereitete, wie gewohnt, Hostien für das Abendmahl vor. Er gehörte zu denjenigen, die bis dato an der „Transsubstantation“ zweifelten, welche erst 1215 als Dogma in der Kirche eingeführt worden war. Dieses Dogma der Transsubstantation besagt, dass die geweihte Hostie, die beim Abendmahl gereicht wird, der tatsächliche Leib Jesus Christus ist (und nicht nur, wie vorher, ein Symbol dessen).
Dieser zweifelnde Mönch entdeckte nun blutrote Verfärbungen auf den Hostien. Die Deutung in der damaligen Zeit war klar:

Die Hostien haben angefangen zu bluten, um ihm, dem zweifelnden Mönch und allen anderen zu zeigen, dass alle Zweifel falsch sind. Sind die Hostien geweiht für das Abendmahl, sind sie keine gewöhnlichen Oblaten mehr, sondern zweifelsohne der wahrhaftige Leib Jesus Christi.

Zufälliger Weise verweilte Papst Urban IV. zur gleichen Zeit nur wenige Kilometer entfernt auf seinem Sommersitz. Er hörte von diesem „Blutwunder“ und war selbst davon so beeindruckt, dass er festlegte, von nun an sei das Festum Corporis Christi am Donnerstag nach Trinitatis zu halten, welches wir heute als den Feiertag Fronleichnam in den überwiegend katholischen Regionen kennen.

Das Blutwunder

Aus heutiger Sicht weiß man, dass es einen Erreger gibt, welcher auf kohlenhydrathaltigen Nährböden einen markanten, leuchtend roten Farbstoff bildet. Dabei handelt es sich um Serratia marcescens, einem Stäbchenbakterium, welches zur Familie der Enterobacteriaceae gehört. Aus modernen, wissenschaftlichen Betrachtungen geht man heute rückblickend davon aus, dass viele historische Schilderungen über blutrote Verfärbungen auf Brot, Polenta und vor allem geweihten Hostien diesem Erreger zuzuschreiben sind.

Im Mittelalter wurden leider auch viele Menschen aufgrund von Fehldeutungen von Hostienerscheinungen ermordet. Dabei handelte es sich vor allem um jüdische Pfandleiher, bei denen zu damaliger Zeit Hostien als Pfand hinterlegt wurden. Wurden diese später wieder ausgelöst und zeigten sich danach blutrote Verfärbungen, war aus damaliger Sicht die Deutung klar: Der jüdische Pfandleiher hatte den Leib Jesus Christi mit einem heißen Messer gemartert, so dass dieser anfing zu bluten. Folglich landete der Pfandleiher (und oftmals auch viele weitere Juden aus seiner Umgebung) auf dem Scheiterhaufen. So geschehen z.B. 1492 in Sternberg (Mecklenburg), wenig später wird dort die heilige Blutkapelle errichtet.
Im Mittelalter entwickelte sich ein wahrer „Hostienboom“. Zu den Orten, wie Sternberg oder auch Wilsnack (Brandenburg), wo nach einem Kirchenbrand in den Trümmern des massiven Altars „blutende Hostien“ gefunden wurden, entwickelten sich große Wallfahrten. Dort zeigten sich fortan seltsame Wunderheilungen, die mit der Anbetung der blutenden Hostien in Verbindung gebracht wurden. Lahme konnten wieder laufen oder Totgeglaubte wurden geheilt. Die Kirche verdiente durch einen regen Ablasshandel sehr gut daran mit. Erst 1517, durch Martin Luther, endete dieser „Teufelsspuk“, wie er ihn nannte, zumindest dort, wo sich die Reformation durch setzte. Die wissenschaftliche Aufklärung begann dann im Jahre 1819:

In der Nähe von Padua in Italien zeigten sich wieder blutrote Verfärbungen, diesmal auf Polenta. Durch wissenschaftlich-analytisches Vorgehen konnte in diesem Fall aber sehr schnell eine „göttliche Mahnung“ ausgeschlossen werden. Der Erreger Serratia marcescens wurde isoliert, die Übertragbarkeit durch die Hände demonstriert und u.a. wurde die Alkohollöslichkeit der roten Farbstoffs Prodigiosin gezeigt.

Der ursprüngliche Name des Erregers Bacterium prodigiosum und die Bezeichnung des von ihm gebildeten Farbstoffs Prodigiosin gehen auf den Zusammenhang mit diesen scheinbaren Blutwundern in Bolsena zurück: lateinisch prodigium, „Wunderzeichen“. Damit verknüpft wurden auch bereits die ersten rückblickenden, wissenschaftlichen Betrachtungen zu „blutenden Hostienerscheinungen“ im Mittelalter angestellt.

Schlussbemerkungen

• Als geborenes Mitglied der evangelischen Kirche hatte ich zu diesem Feiertag keinen besonderen religiösen Bezug. Meine Großmutter erzählte mir nur immer, dass die evangelischen Christen auf dem einen Berge an diesem Feiertag ganz bewusst als Provokation ihre weiße Wäsche wuschen und aufhängten. Das war weit hin sichtbar, bis zum katolischen Berge. Diese taten dann dasselbe am evangelischen Buß und Bettag im November, den es ja heute nur noch in manchen Bundesländern als evangelischen Feiertag gibt.
• Mitte der 90er Jahre wohnte ich gegenüber einer katholischen Kirche. Ich genoss es, von meinem Bette aus die evangelischen Posaunenchöre zu hören, die man sich für diesen heiligen Tag ausgeliehen hatte.
• Was ich mit diesem Beitrag auf keinen Fall möchte, ist jemandem die Wichtigkeit dieses Tages zu nehmen. Die Verwandlung von Brot und Wein lassen wir hier mal ganz außen vor. Aber die Verwandlungsmöglichkeiten von uns Menschen Durch die Worte, Ideen, das Leben und das Wirken Jesu, sollte uns unabhängig von Wundern, Heilungen etc. durchaus interessieren. Es geht um seine Person und um das geistige Erbe, das er uns hinterließ. Ob er nun Gottes Sohn ist, oder wie es sich ansonsten mit der Dreifaltigkeit, Vater, Sohn und Heiliger Geist, verhält, mag jeder für sich selbst entscheiden.
• Übrigens gibt es ein wunderbares Buch von dem von mir schon erwähnten und hoch geschätzten Autor @Florian @Freistetter. Durch sein Buch „Das Universum in einhundert Sternen“ wurde ich auf diese Geschichte aufmerksam.

Ich wünsche uns allen einen schönen Fronleichnams-Feiertag.