Woher kommen die Geräusche des Wasserkochers?

Im Gegensatz zum Meeresrauschen und den Geräuschen eines laufenden Wasserhahns sieht man jedoch im Wasserkocher keine Strömung. Die Elektrik allein kann auch nicht dahinter stecken, sonst müsste jeder E-Herd oder auch der leere Kocher Geräusche von sich geben - das ist aber nicht der Fall.

Temperaturverteilung im Wasserkocher

Bildbeschreibung:
Schaltet man einen Wasserkocher ein, bildet sich zuerst nur am Boden eine dünne Schicht heißen Wassers, in der viele einzelne Wasserdampfbläschen entstehen. Diese implodieren, sobald sie in kälteres Wasser aufsteigen. Ist das Wasser dagegen schon sehr warm geworden, bilden sich weniger, dafür aber größere Bläschen, die zwar lauter implodieren, aber weniger häufig. Daraus resultiert eine etwas geringere Frequenz des hörbaren Rauschens (siehe anderes Bild).

Die physikalische Erklärung ist zunächst unsichtbar. Die Schallwellen, aus denen sich das Rauschen zusammensetzt, entstehen wegen winzigen Wasserdampfbläschen. Die Bläschen bilden sich am Boden des Wasserkochers schon sehr schnell, auch wenn das restliche Wasser im Kocher noch ganz kalt ist. Das liegt daran, dass die Heizwendeln in Wasserkochern sehr schnell heiß werden. Sie erhitzen das Wasser in ihrer unmittelbaren Nähe viel schneller, als die Wärme im Wasser sich ausbreiten kann. Es wird also mehr Wärmeenergie an das Wasser abgegeben als dieses abtransportieren kann. In sehr kleinen Bereichen kann das Wasser damit schlagartig aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen. Das ist schon einmal die erste Schallquelle: Denn dieser Vorgang dauert nur Bruchteile einer Sekunde. Das entstandene Wasserdampfbläschen ist etwa hundertmal größer als das Wasser, aus dem es entstanden war. Diese physikalische Mini-Explosion erzeugt eine Druckwelle, die sich ausbreitet - also nichts anderes als Schall. Weil sie aber im Gegensatz zu chemischen Explosionen eher langsam abläuft, ist dies noch nicht die Hauptursache für das Rauschen.

Frequenzspektrum des Wasserkocher-Rauschens

Bildbeschreibung:
Das Rauschen eines Wasserkochers wird bis kurz vor dem Siedepunkt immer lauter. Während kurz nach dem Einschalten eines Wasserkochers alle Frequenzen gleichmäßig zum Rauschen beitragen, sind es eher tiefe Frequenzen, nachdem sich das Wasser schon weitgehend erwärmt hat. Kocht das Wasser, so treten bei Platzen der Blasen an der Oberfläche tiefe Frequenzen besonders stark auf.

Die noch mikroskopisch kleinen Bläschen haften erst an der Heizplatte, aber ab einer bestimmten Größe steigen sie natürlich nach oben. Schon nach ganz kurzer Zeit erreichen sie dadurch Wasserschichten, die deutlich kälter als das Wasser direkt an Heizplatte oder Heizspirale sind. Am Rand des Bläschens kondensiert dadurch ein Teil des Wasserdampfs, aus dem es besteht, ganz ähnlich wie in einem feuchtwarmen Raum Wasser an kalten Glasscheiben kondensiert. Damit verringert sich auch der Druck in dem Bläschen rapide. Das Bläschen implodiert nun. Das erzeugt wieder eine Druckwelle und damit auch wieder Schall.

Die Energie, die in dem Bläschen gespeichert ist, wird durch diesen Vorgang weg von der Heizplatte des Wasserkochers transportiert. So erwärmt sich nach und nach das ganze Wasser im Kocher, die entstehenden Bläschen werden größer und können auch immer weiter nach oben steigen, bevor sie wieder implodieren. Ist die Temperatur nahe dem Siedepunkt, schaffen es die Blasen ganz nach oben. Weil im Durchschnitt immer weniger Bläschen implodieren, sondern an der Wasseroberfläche platzen, wandelt sich das Rauschen in ein Blubbern und Brodeln.

Der Welt-der-Physik-Wasserkocher

Bildbeschreibung:
Aus diesem Wasserkocher kamen die von uns aufgenommenen Geräusche.