Grundidee

Eine biegsame Plastikflasche wird teilweise mit heißem Wasser gefüllt. Dadurch erwärmt sich auch die Luft im Inneren der Flasche. Wir die Flasche anschließend verschlossen, passt sich die Temperatur im Inneren der Flasche der Temperatur außerhalb der Flasche an. Dadurch sinkt der Luftdruck im Inneren gegenüber dem Umgebungsdruck. Die Flasche wird sichtbar und stark zusammengedrückt, gequetscht oder zerknittert.

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Heißes Wasser in eine Plastikflasche kippen und zuschrauben: schon nach wenigen Minuten schrumpelt die Flasche ein. Was im Tischversuch harmlos aussieht, verursacht in der Industrie immer wieder tödliche Unfälle aus Unkenntnis der einfachen Physik.

Kurzanleitung

Man nimmt z. B. eine Plastikflasche, zu Beispiel mit einem Liter Inhalt.

Man füllt sie zur Hälfte (es geht auch weniger) mit frisch gekochtem Wasser auf.

Man wartet einige Zeit, bis die Luft im Inneren sich stark erwärmt hat.

Man verschließt die Flasche mit dem üblichen Schraubverschluss.

Man lässt die Flasche entweder in der Umgebungsluft stehen (dauert länger) oder stellt sie in ein Bad mit kaltem Wasser (geht schneller).

Man sieht dann, wie nach einiger Zeit die Flasche stark sichtbar von außen nach innen eingedrückt wird.

Erklärung über die kinetische Gastheorie

Stellt man sich die Teilchen der Luft so vor, als könnten sie untereinander nur nach den Gesetzen eines elastischen Stoßes wechselwirken, dann denkt man im Modell der kinetischen Gastheorie. Einfach gesagt, denkt man sich die Teilchen wie schnelle und kleine Billardkugeln. Sie können aneinander prallen, aber außer bei einem direkten Kontakt, wirken zwischen ihnen keine weiteren Kräfte. Bei einem Zusammenprall aber können die Teilchen Energie und Impuls austauschen. Siehe dazu auch 👉 kinetische Gastheorie

Der Druck auf die Wände entsteht in der Sicht der kinetischen Gastheorie dadurch, dass ständig Abermilliarden von Luftteilchen gegen eine Wand prallen.

1. Offene Flasche auf Umgebungstemperatur

Ist eine Flasche nun geöffnet und nicht erwärmt, hat die Luft im Inneren der Flasche dieselbe Temperatur und denselben Druck wie in der Umgebung außerhalb der Flasche. Dadurch stoßen von außen ähnlich viele Teilchen in jedem kurzen Zeitraum wie innen. Die resultierende Kraft auf die Flasche ist außen dann genauso groß wie innen. Die Flasche bleibt heil.

2. Erhitzte Flaschenluft, offen

Füllt man jetzt heißes Wasser in den unteren Bereich der Flasche, wird die verbleibende Luft im Inneren der Flasche erwärmt. Eine Erwärmung im Sinne der kinetischen Gastheorie heißt, dass sich die Luftteilchen schneller bewegen. Und durch die schnellere Bewegung dehnt sich die Luft auch gegenüber der kühleren und langsameren Umgebungsluft aus. Im Endeffekt gibt es im Inneren der Flasche dann weniger Luftteilchen als es bei kühlerer Luft wären, aber da die wenigen Teilchen pro Teilchen aber auch schneller sind, ist der Druck im Inneren der Flasche immer noch genauso groß wie um die Flasche herum von außen.

3. Erhitzte Flaschenluft, geschlossen

Nun wird die Flasche verschlossen. Die warmen und schnellen Teilchen der Luft geben bei jeder Kollision mit der Flaschenwand etwas ihrer Bewegungsenergie und damit auch etwas ihrer Wärme an die Umgebung ab. Nach und nach gleichen sich die Temperaturen innen und außen wieder an. Es kommt zu einem thermischen Gleichgewicht.

4. Abgekühlte Flaschenluft, geschlossen

Ist nun die Luft im Inneren der verschlossenen Flasche in etwa wieder so warm wie die Luft der Umgebung, sind auch die Teilchen der Luft wieder im Durchschnitt nur genauso schnell wie die Luftteilchen außerhalb der Flasche. Da es aber weniger Teilchen sind, als für einen vollständigen Druckausgleich nötig sind, gewinnt jetzt sozusagen das Teilchenbombardement von außen. Die von außen auf die Flaschenwand aufschlagenden Teilchen sind im Schnitt genauso schnell wie die Inneren. Aber es sind pro Flächenstückchen und Zeitdauer sehr viel weniger. Daher wird die Flasche von außen nach innen zusammengedrückt.

Berechnung über das ideale Gasgesetz

Luft bei alltäglichen Drücken und Temperaturen kann sehr gut als ideales Gas betrachtet werden. Mit dieser Betrachtung kann man dann eine vergleichsweise einfache Formel benutzten, das ideale Gasgesetz:

Formel

pV = nRT

Legende

p = Druck des Gases, z. B. 👉 Pascal

V = Volumen des Gases, z. B. in 👉 Kubikmeter[n]

n = Stoffmenge, z. B. in 👉 Mol

R = 8,314598 J/(K·mol) > Allgemeine Gaskonstante

T = Temperatur in 👉 Kelvin

Annahmen

Raumtemperatur: 20 °C

Innentemperatur nach Befüllung mit heißem Wasser: 80 °C

Innentemperatur am Ende des thermischen Ausgleichs: 20 °C

Lösungsidee

Man kann nur sagen, dass der Moment der größten Erhitzung der Luft in der noch offenen Flasche den Zustand 1 definiert. Der Zustand des thermischen Ausgleichs der geschlossenen Flasche wäre dann der Zustand 2. Nimmt man ferner an, dass sich das Volumen der Flasche dabei NICHT ändern würde, kann man den theoretischen Innendruck nach der Abkühlung im geschlossenen Behälter berechnen.

Unter den gemachten Annahmen sind V, n und R für beide Zustände gleich, also Konstanten. Man kann die Gleichung des idealen Gasgesetzes nach einem Term mit genau diesen drei Konstanten umstellen:

p/T = n·R/V

Da die rechte Seite als konstant angenommen wird, muss der Quotient von p und T im Zustand 1 denselben Wert wie im Zustand 2 ergeben. Geht man für Zustand 1 für eine grobe Abschätzung von einem bar oder 10 hoch 5 Pascal Druck aus, und nimmt man für die heiße Luft am Anfang 80 °C oder rund 353 K (Kelvin) an, dann ist diese Konstante also 10 hoch 5 Pascal durch 353 K. Das multipliziert mit der Temperatur des Zustandes 2 von 293 K gibt den gesuchten Innendruck im Zustand 2:

p = 10 hoch 5 durch 353 mal 373 Pa

p ≈ 0,83 mal 10 hoch 5 Pa

Innen würden nach der Abkühlung bei unverändertem Flaschenvolumen also nur etwa 80 % des Umgebungsdruckes herrschen. Der Druckunterschied zwischen innen und außen wäre dann etwa 0,2 bar oder 0,2 mal 10 hoch 5 Pascal.

Die Kraft

Welcher Kraft entspräche das? Eine starke Erwachsene Person könnte mit einer Hand eine Kraft von gut 400 Newton ausüben.^[5] Damit könnte man ganz sicher eine schwache Plastikflasche eindrücken. Kommt die Differenz der Luftdrücke auf ähnliche Werte?

Nimmt man an, dass die Flasche ein Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 8 cm und einer Höhe von rund 14 cm ist, dann hat die Flasche einer Oberfläche von etwa 450 cm²^[6] oder 0,00450 m².

Bei einer Druckdifferenz von 0,2 bar oder 0,2 mal 10 hoch 5 Pascal würden auf jeden Quadratmeter 10 hoch 5 oder 100.000 (einhunderttausend) Newton drücken. Multipliziert mit der tatsächlichen Fläche von etwa 0,0045 m² kommt man so auf eine Kraft von 90 Newton. Das klingt realistisch. Um die Flasche optisch gut sichtbar einzudrücken, benötigt man ganz sicher nicht die volle Kraft eines Erwachsenen Menschen. Schon mit einem Viertel dieser Kraft oder weniger, wäre der Kunststoff gut sichtbar eingedrückt.

Fazit

Vielleicht 0,2 bar Druckdifferenz

Vielleicht 90 bar als realistische Kraft

TO-DO:

Funktioniert der Thermo-Kompressions-Versuch auch mit den sehr viel stabileren Mehrweg-Flaschen aus Kunsstoff? Würden sie nach einer teilweisen Befüllung mit heißem Wasser nach einiger Zeit auch durch den innen entstehenden Unterdruck zerknüllt?

Unfallgefahr

Industriearbeiter reinigten einen größeren Tankbehälter aus Metall von innen mit heißem Wasserdampf. Um die Abkühlzeit zu verringern, kühlten sie den Tank anschließend von außen mit kaltem Wasser. Ein Photo zeigt das Resultat: der Tank war völlig nach innen eingeknüllt. Die Metallwände sahen aus wie zerknülltes Plastik.^[1] Große Behälter und Leitungen in Industrieanlagen^[2] und Laboren^[3] sind oft starken Druckunterschieden ausgesetzt. Temperaturunterschiede, die zu nicht ausgleichbaren Druckunterschieden führen, sind häufig eine Ursache für schwere Unfälle.

Fußnoten

[1] Zerknüllter Tankbehälter aus Metall: "After cleaning with steam a tank was quenched with cold water to shorten the cooling time (not normal practice). The tank vent was not calculated for the vacuum resulting from this rapid quenching operation, resulting in a collapsed tank [...]" Der Artikel zeigt das Bild eines stark nach innen verbeulten großen Tanks aus Metall. Und: "A pressure as low as 20 mbar below atmospheric pressure can cause tank damage". In: Informationsseite der Firma "Fleming Trainings" aus Pressburg (Bratislava) in der Slowakei. Abgerufen am 4. Juli 2026. Online: https://fleming.events/articles/imploded-storage-tank/

[2] Tödlicher Unfall: Am 26. Mai 2026 kam es in Longview im US-Bundesstaat Washington zu einem tödlichen Unfall: "Bei dem Unglück implodierte ein großer Lagertank, der sogenannte „White Liquor“ [...] enthielt – eine stark ätzende Chemikalienlösung, die in der Zellstoff- und Papierproduktion zum Einsatz kommt." In: Tank-Implosion bei Nippon Dynawave Packaging: Ermittlungen nach tödlichem Unfall gestartet. Meldung der Ultima Media Germany GmbH aus München. Abgerufen am 4. Juli 2026. Online: https://www.neue-verpackung.de/markt/tankimplosion-bei-nippon-dynawave-packaging-ermittlungen-nach-toedlichem-unfall-gestartet/2672672

[3] Sammlung von Unfallberichten: "This compilation presents 238 incident summaries that occurred primarily in the U.S. between 2001 and 2016." COMPILATION OF PRESSURE-RELATED INCIDENT SUMMARIES. June 2016 (Rev. 4). Insgesamt 251 Seiten. Online: https://indico.fnal.gov/event/13755/sessions/1912/attachments/14044/17881/AccidentsCompilation_June16.pdf

[4] Ein Mol eines Gases nimmt bei üblichen Standardbedingungen der Atmosphäre etwa 22,4 Liter an Volumen ein. Siehe auch 👉 Molares Volumen

[5] Steiber N (2016) Strong or Weak Handgrip? Normative Reference Values for the German Population across the Life Course Stratified by Sex, Age, and Body Height. PLoS ONE 11(10): e0163917. doi:10.1371/journal.pone.0163917

[6] Die Oberfläche O eines Zylinders setzt sich aus drei Teilflächen zusammen: der Grundfläche G, der Deckfläche D und der Mantelfläche M. Die Grund- und Deckfläche sind beide gleich groß. Die Grundformel für die Berechnung der Zylinder oberfläche ist O = 2·Pi·r² + 2·Pi·r·h. Mehr dazu unter 👉 Zylinderoberfläche berechnen