SimplyScience: Kann Luft eine Dose zerquetschen?

Das brauchst du:

Herd
Bratpfanne
Kochtopf
kaltes Wasser
evtl. Eiswürfel
einen Esslöffel
eine leere Getränkedose
Ofenhandschuhe oder eine stabile Zange

So wird's gemacht:

Stelle die Bratpfanne auf den Herd, schütte etwas Wasser hinein und erhitze sie, als würdest du etwas braten wollen.
Stelle den Kochtopf neben den Herd und fülle kaltes Wasser hinein (evtl. mit ein paar Eiswürfeln), bis es etwa 4-5 cm tief ist.
Fülle 1 Esslöffel Wasser in die leere Getränkedose hinein.
Zieh die Ofenhandschuhe an (du kannst auch eine Zange verwenden), nimm die Getränkedose und stelle sie in die heisse Bratpfanne (die Öffnung schaut dabei nach oben). Hierbei musst du sehr vorsichtig sein, denn der Wasserdampf aus der Bratpfanne ist sehr heiss.
Nun musst du etwas warten (ca. 5 Minuten, je nach Herd). Wenn du das Wasser in der Getränkedose blubbern hörst, weisst du, dass es kocht. Lass die Dose noch eine Minute länger in der Bratpfanne stehen.
Nimm die Dose mit dem Handschuh (oder der Zange) aus der Bratpfanne heraus und stelle sie schnell kopfüber in den Kochtopf (die Öffnung schaut nach unten). Pass auf, dass du nicht vom heissen Wasser getroffen wirst!
Beobachte gut was passiert.

Darauf musst du achten:

Achtung! Dieses Experiment nur unter Aufsicht eines Erwachsenen durchführen. Das kochende Wasser ist sehr heiss.

Nimm die Dose erst aus der Bratpfanne, wenn das Wasser in der Dose kocht. Das merkst du entweder am feinen Dampf, der aus der Dose kommt, oder du hörst es blubbern.

Scharf beobachtet:

Mit einem Knall wird die Dose plötzlich wie von Zauberhand zerquetscht!

Was dahinter steckt:

Um das Experiment zu verstehen, müssen wir zwei Dinge wissen: Erstens: Warme Luft dehnt sich aus und braucht mehr Platz als die gleiche Menge kalter Luft; Wasserdampf braucht auch mehr Platz als flüssiges Wasser. Zweitens: Warmer Wasserdampf wird flüssig, wenn er kalt wird. Das nennt man Kondensation. Was bedeutet nun dies alles für unser Experiment?

Zu Beginn hast du Wasser in die Dose gefüllt. Dieses Wasser wird während des Erhitzens zu Wasserdampf. Der Wasserdampf verdrängt die kalte Luft aus der Dose und füllt die Dose komplett aus. Die mit heissem Wasserdampf gefüllte Dose wird dann kopfüber in den Topf mit kaltem Wasser gestellt. Da der Wasserdampf im Inneren der Dose mit der nun kalten Wand der Dose in Berührung kommt, kondensiert er. Der Dampf wird wieder zu Wasser, das weniger Platz einnimmt als der Dampf. Da keine Luft den entstandenen freien Platz besetzen kann (die Öffnung der Dose ist ja unter Wasser), entsteht ein Unterdruck. Das bedeutet, dass innerhalb der Dose ein niedrigerer Druck herrscht als ausserhalb. Da die Wand der Dose dem Druck von Aussen nicht standhalten kann, wird die Dose zusammengepresst. Es ist also die Luft von Aussen, die die Dose zerdrückt hat. Dieser Prozess wird auch Implosion genannt. Bei der Implosion ist, im Gegensatz zur Explosion, der Aussendruck grösser als der Innendruck, die Kraft wirkt also von aussen nach innen. Bei der Explosion wirken die Kräfte von innen nach aussen.

Was hat das mit einer Dampfmaschine zu tun?

Dasselbe Prinzip brachte die erste Dampfmaschine zum Laufen. In dieser sogenannten atmosphärischen Dampfmaschine von Thomas Newcomen füllte der heisse Dampf den Zylinderraum aus, in dem der Kolben steckte. Der Wasserdampf hob den Kolben an. Danach wurde der Zylinder mit Wasser gekühlt, so dass der Wasserdampf im Inneren abkühlte und kondensierte. Wie in der Dose entstand dabei ein Unterdruck im Zylinder. Die Aussenluft konnte den Kolben wieder nach unten drücken. Die Auf- und Ab-Bewegung des Kolbens trieb eine Wasserpumpe in einem Kohlebergwerk an. So wurde heisser Wasserdampf zu Bewegung umgewandelt.