Fråga: Hej,
idag under en lektion sa en studerande till min kollega att jod inte alls sublimerar vid uppvärmning utan att det var en myt. Jag letade upp fasdiagrammet för jod och om man ökar temperaturen vid NTP så kommer jod klart att passera vätskefas 114 grader och kokar sedan vid 184 grader. Men överallt kan man läsa att jod sublimerar vid uppvärmning, vilket jag även kunde hitta en artikel i illustrerad vetenskap. Eleven refererade till en jod myt (se youtubelänk). Vi har diskuterat fram och tillbaka vad som är korrekt. För att nå sublimeringskurvan måste trycken minska till ca en tiondel av standardtryck vid rumstemperatur, förutsatt att jag har lyckats hitta rätt fasdiagram. Jag önskar att få klarhet i denna fråga. Tack på förhand.
Svar: Detta är egentligen en kemifråga, så vi är inte specialister.
Jag ser inte problemet - uttalandet att jod inte smälter är helt enkelt felaktigt. Under vissa förhållanden kan man inte se vätskefasen men man ser gasfasen. Se dina länkar, länk 1 och 2.
Sublimation (även sublimering) är ett ämnes direkta övergång från aggregationstillståndet fast form till gasform, utan att passera mellanfasen flytande form. Motsatsen, den direkta övergången från gas till fast ämne kallas deposition eller desublimation.
Ett exempel på sublimation är ett vått lakan som hängts ut vid minusgrader; vattnet i lakanet fryser, men trots det torkar lakanet långsamt. Vatten som därvid sublimerar, övergår då direkt till vattenånga från is (och snö). (Sublimering )
Att sublimering förekommer utesluter inte att smältning förekommer samtidigt.
Observera att kokning (se fråga 19208 ) är beroende av det omgivande lufttrycket, vilket inte sublimering är. /Peter E
Fråga: Hej! Varför hoppar locket när man kokar vatten? /Julia C, Sofia distans, Stockholm
Svar: Hej Julia!
När vatten kokar bildas vattenånga som i form av bubblor transporteras till ytan. Mängden vattenånga i överdelen av kastrullen ökar då. Då ökar även trycket. När övertrycket blir tillräckligt stort lyfts locket lite och tryckskillnaden minskas. Locket faller då tillbaka till normalläget.
Fråga: En kastrull med vatten kokar. När du tar av locket är insidan av locket fyllt av små vattendroppar. Varför? /Natali L, gunnestorpsskola, Göteborg
Svar: När vatten kokar vid normalt tryck bildas vattenånga (fria vattenmolekyler) med en temperatur på 100 grader. Ångtrycket (se fråga 20107 ) är alltså 1 atmosfär. Locket är emellertid lite kallare, så vattenångan kondenseras (bildar vattendroppar). Vattenånga är helt färglös, så det vita man ser som kondens eller dimma/moln är små vattendroppar fritt svävande i luften. När vattendropparna blir tillräckligt stora blir de åter helt genomskinliga (t.ex. regndroppar och vattnet som kondenserat på locket). /Peter E
Fråga: Varför knastrar vatten som värms, t.ex. i en tekokare? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Varför dundrar vatten som värms, t.ex. i en tekokare? Detta ljud kommer ju nästan direkt och innan några synbara bubblor bildats /Jan S, Centralskolan, Ekshärad
Svar: Bra fråga Jan (som man säger när man inte vet svaret). Här är hur det låter:
Det finns ett antal olika förklaringar på nätet, den ena dummare än den andra. Jag är rätt säker på att den första förklaringen i länk 1 är den korrekta:
Chris Smith: Ah, yes my kettle is no exception and the reason that kettles are noisy, they make that sort of thumping and bashing noise as they boil and then the noise intensifies as they warm up and then it goes silent as they boil.
It is because of the way that the heat is being transferred into the water. So you have an electric element inside the kettle, a high current is passing through that element which makes it get hot. The heat from the element is therefore transferred by convection and conduction locally onto the water molecules around the element; they then get excited and get hot. So you have a bubble of hot water around the element which tries to expand and it also floats upwards away from the element because, of course, warm things rise but as it rises of course it loses its heat again to all of the surrounding water. So this bubble of water and water vapour collapses in on itself very quickly and that’s cavitation and you get a shocking, sort of knocking noise. So those thumps that you hear and the sort of ‘shhh’ hissing that you hear, as the water vapour bubbles collapsing on themselves and emitting some sound waves, that’s what the sound is.
Värmeelementet blir snabbt mycket varmt. Det bildas då mycket små bubblor som stiger - gas är lättare än vatten. Bubblorna försvinner emellertid mycket snabbt, eftersom vattnet fortfarande är ganska kallt, och kollapsar. Det är kollapsen av bubblorna som ger det knastrande ljudet.
Jag kollade teorin med min vattenkokare. Bubblorna är mycket små men de syns tydligt med belysning från en ficklampa. Man hör ljudet så snart bubblorna börjar bildas.
För en kärnfysiker är det knastrande ljudet bekant: det låter som ett GM-rör med ett radioaktivt preparat - speciellt i början när det bildas få bubblor. Hur kan det komma sig?
Bildandet av en bubbla är liksom sönderfallet av en radioaktiv kärna en slumpmässig process. Antalet bildade bubblor (sönderfallande kärnor) per sekund är poissonfördelat, se fråga 16653 . Se även Shot_noise .
Här är ett stöd för den föreslagna förklaringen (från länk 2):
Long before the bulk of the water in your teapot hits 100°C, the bottom of the pot will be heated to over the boiling temperature of water. Water in contact with it will briefly flash into steam, but the resulting small bubbles will quickly collapse as they transfer their heat to the surrounding cooler water. If the bubbles are small enough (have a large surface to volume ratio), the collapse can be fast enough to make a popping or sizzling sound. This can happen even when the bubbles are too small for you to see.
Fråga: Vad händer om man ökar trycket i en kolv med vatten och vattenånga? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: En behållare, som är försedd med tätslutande kolv, innehåller enbart vatten och vattenånga. Vad händer om kolven trycks sakta inåt?
Temperaturen hålls konstant. /Anna K, HIS, Skövde
300 K (27oC) 3.6 kPa
331 K (58oC) 18 kPa
373 K (100oC) 101.3 kPa (kokpunkt vid atmosfärstryck)
Vad som händer vid gränslinjen mellan gas och vätska är att vid ökande tryck och konstant temperatur kondenseras vattenångan till vatten. Därvid sjunker trycket tillbaka till det ursprungliga som motsvarar ångtrycket vid den givna temperaturen. Om man ökar trycket igen kondenseras mer ånga tills endast vatten återstår.
Fråga: Om man i en kastrull har kokande hett vatten, och placerar sedan kastrullen på en spisplatta som är inställd på högsta effekt, varför stiger inte temperaturen då? Tacksam för svar /Jenny M, Malmö
Svar: När vattnet nått kokpunkten blir det inte varmare utan förångas (kokar). Den tillförda energin går till ångbildningsvärmet (14203 ), som är den energi som krävs för att separera vattenmolekylerna från en vätska (med vattenmolekylerna bundna till varandra) till en gas (med fria vattenmolekyler).
Man kan öka vattnets temperatur om man sätter på ett lock som sitter fast (tryckkokare). Då blir det övertryck och vattnet kokar vid en högre temperatur. Se fråga 11471 .
Fråga: Mätning av vattnets kokpunkt /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej !
Jag har en fråga angående vattnets temperatur. När jag skulle koka 1 liters vatten i en kastrull, så kokade vattnet vid 98 grader. Vad beror det på? och vid mitt andra försök kokade vattnet vid 100 grader. Vad beror det första försöket på, att den kokade vid 98 grader? jag hade faktiskt termometern på bottnet av kastrullen hela tiden om de hjälps, kastrullen är gjord av järn. /Mila j, GTI, göteborg
Svar: Låt oss först diskutera osäkerheter i mätningar.
När man gör mätningar är det viktigt att ha full kontroll på mätningens noggrannhet. Utan angivande av denna (ofta kallad osäkerhet, fel, mätfel eller felgränser) är en mätning av begränsat värde.
Mätfel definieras som skillnaden mellan ett uppmätt värde och det sanna värdet av en storhet.
Vanligen delas mätfelet upp i två delar:
Systematiska mätfelär enkelsidigt riktade och beror exempelvis på olämpligheter eller felaktigheter i mätutrustningen eller mätprincipen. Det systematiska felet definieras som skillnaden mellan väntevärdet (medelvärdet av många upprepade försök) och det sanna värdet. Ett typiskt exempel på systematiska mätfel är om man mäter avstånd med en felgraderad mätsticka.
Slumpvisa mätfelär stokastiskt (slumpmässigt) fördelade runt mätningens väntevärde. Slumpfelet definieras som skillnaden mellan uppmätt värde och väntevärdet. Ett typiskt exempel på slumpvisa mätfel är antalet pulser man får från ett radioaktivt preparat under en viss tid, se fråga 16653 .
I din mätning av kokningstemperaturen finns ett antal felkällor.
1 Kokningstemperaturen beror på lufttrycket som typiskt varierar mellan 980 (lågtryck) och 1050 (högtryck) millibar. Motsvarande kokningstemperaturer är 99oC och 101oC, se fråga 8721 .
2 Sedan är temperaturen inte densamma i alla punkter i vattnet. Botten av kastrullen är säkert varmare än 100oC. Antagligen har vattnet nått kokningstemperatur bara i ett tunnt lager nära botten. Du kan alltså få variation i temperatur beroende på hur du håller termometern.
3 Temperaturen beror även på om det finns kondensationskärnor t.ex. salt eller potatisar i vattnet. I avsaknad av kondensationskärnor kostar det mer energi att bilda en bubbla, och vattnet blir överhettat, dvs kokar först vid betydligt högre temperatur, se fråga 2458 och 14212 .
Fråga: Är innehållet detsamma i de bubblor som bildas då ett glas kallt vatten får stå i rumstemperatur och de bubblor som bildas då vatten sjuder? /Vidar B, Myrsjöskolan, Nacka
Svar: Vidar! Nej. Bubblorna i kokande vatten är vattenånga dvs vatten i gasform. Bubblorna som bildas när kallt vatten står i rumstemperatur är luft, dvs kväve och syre.
Anledningen till att det bildas luftbubblor när det kalla vattnet värms till rumstemperatur är att kallt vatten kan hålla mer luftmolekyler i lösning. När temperaturen ökar samlas luftmolekylerna i bubblor som till sist försvinner i luften.
Fråga: Varför kokar (stormkokar) tevattnet på nytt när jag doppar i tepåsen. Vattnet är först värmt i mikron tills det bubblar och sedan stilla innan påsen doppas. /Lina D, Uggleskolan, Södra Sandby
Svar: Hej Lina!
Vi har flera svar på detta i frågelådan, se t.ex. fråga 2458 nedan. Enkelt uttryckt så värms vattnet så effektivt i mikrovågsugnen att det inte hinner koka. Det blir i stället överhettat, dvs det blir varmare än den normala kokpunkten 100 grader.
Kokning innebär att det bildas bubblor av vattenånga som stiger till ytan. Det är emellertid inte helt lätt för vattnet att bilda bubblor - det kostar energi på grund av ytspänningen. Det är lättare om det finns en yta där småbubblor kan bildas. Det är därför det börjar bubbla så häftigt när du stoppar ner något i vattnet du just tagit ut ur mikrovågsugnen. Se vidare om kokande vatten och ytspänning . /Peter E
Fråga: Hejsan!
Hur det kommer sig att när man kokar vatten i t.ex en kastrull, och häller i salt så bubblar det en kort stund mycket mer på bottnen där du hällt i saltet? Har klurat på det här länge men inte lyckats komma till någon lösning, skulle verkligen uppskatta svar. /Robin L, Aleholm, Sävsjö
Svar: Länken nedan innehåller en inte alltför svår artikel om hur vatten kokar. Om nu tittar noggrannt på en kastrull med vatten som börjar koka, skall du se att alla bubblor börjar vid kastrull-ytan (botten eller sidan). Detta beror på att ytspänningen gör att det kostar mycket energi att göra en liten hel bubbla. Det kostar mindre att göra en halv bubbla vid en fast yta eftersom den plana ytan mot det fasta materialet inte bidrar till ytspänningen.
Saltet gör samma sak som kastrull-ytan - det tjänar som kondenskärna för nybildade bubblor. När du häller salt i kokande vatten ser du att det kommer massor med små bubblor från området med salt. Bubblorna kan inte bli särskilt stora eftersom saltkornen är små (pröva gärna med grovt salt, jag har inte provat men det bör ge större bubblor). Efter en stund har saltet lösts i vattnet, och då finns inga kondensationskärnor så småbubblorna försvinner. /Peter E
Fråga: Varför kokar vattnet då vattenångans tryck är lika stort som lufttrycket? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej!
Varför är luften ovanför en vattenyta full av vattenånga? Varför kokar vattnet då vattenångans tryck är lika stort som lufttrycket? Kan man med den allmänna tillståndslagen för gaser (pV/T) förklara varför kokpunkten kan sänkas om trycket minskar?
/Cissi K, Värmdö, Stockholm
Svar: Luften ovanför en vattenyta innehåller en del vattenmolekyler som slitit sig från ytan. Vid en viss temperatur är det jämvikt mellan ångan och vattnet - lika många vattenmolekyler kondenseras till vattnet som frigörs till luften. Om temperaturen är högre kan luften innehålla mer vattenånga.
Vid kokpunkten är det s.k. partialtrycket hos ångan lika med lufttrycket, se bilden nedan från Hyperphysics. Då kan "luften" bestå till 100% av vattenånga - syret och kvävet har trängts bort. Vid kokpunkten kan det också bildas bubblor av vattenånga (normalt på botten av kastrullen som är nära värmekällan och därför varmare). Om vattentemperaturen understiger kokpunkten så kan inga bubblor bildas eftersom de trycks ihop av det större lufttrycket.
Kokpunktens förändring med tryckets kan inte förklaras med allmänna gaslagen eftersom kondenserande vattenånga är långt ifrån en ideal gas. Förändringen av kokpunkten med trycket är i själva verket en ganska komplicerad olinjär funktion. För mer om ämnet se nedanstående länkar.
Fråga: Vid vilka villkor kan vatten övergå från fast form direkt till gas form? /petter t, asken, strängnäs
Svar: Förvarar man is i ett slutet rum, avdunstar isen tills man nått en jämvikt. Lika många vattenmolekyler avdunstar som åter fastnar på isen. Detta partialtrycket kallas mättnadstrycket (beror på temperaturen). Förutsättningen för att vi ska få nettoavdunstning blir då att vattenångans tryck (i luften) är lägre än mättnadstrycket. Is avdunstar (sublimerar) märkbart till och med vid så låg temperatur som -90oC, fast det går långsamt. /KS
Fråga: Vatten kokar vid 100 grader. Då övergår det från flytande form till gasform.
Hur kan då vatten avdunsta vid t ex 20 grader?
Är vattnet i luften inte vattenånga utan små mikrodroppar? /Annika L, Fagerslättsskolan, Nybro
Svar: Vatten avdunstar vid alla temperaturer.
Också is avdunstar, fast då ska man egentligen säga sublimerar.
Det finns alltid en chans att en vattenmolekyl får sig en extra
knuff, så att den åker ut. Tänk dig att du häller vatten i en burk
och sätter på locket. Då kommer vatten att avdunsta tills luften
är mättad med vattenånga, 2.3 volymsprocent vid 20 oC.
Nu tycks avdunstningen ha upphört, men det är faktiskt inte sant,
det avdunstar lika mycket som förut. Det händer nämligen att
vattenmolekyler från ångan kolliderar med vattenytan och tas
upp av vattnet igen. När båda processerna är i jämvikt, säger vi
att luften är mättad med vattenånga.
Mättnadsprocenten stiger med temperaturen. Vid 100 oC är
den 100%. Vattnet kokar. För att behålla trycket, måste man lätta
på locket när temperaturen ökar.
Vattenångan är en gas av enskilda molekyler. Den består alltså
inte av mikrodroppar. Vad som sker när vattnet avdunstar är att bindningarna med andra vattenmolekyler bryts upp (detta kostar energi) och molekylerna börjar röra sig fritt som gasmolekyler. Vatten har speciella bindningar mellan molekylerna eftersom vattenmolekylen är en dipol. Ändan med väteatomerna är positivt laddad och ändan med syreatomen är negativt laddad. Det är dessa s.k. vätebindningar som håller ihop molekylerna och gör att kokpunkten blir så hög som 100oC.
Temperatur är ju ett mått på molekylernas slumpmässiga värmerörelse. Alla molekyler har inte samma hastighet utan man har en fördelning från hastigheten noll till stora värden. Det är framför allt molekyler från "högenergisvansen" hos fördelningen som lyckas ta sig ut från vattnet. Detta betyder att medelhastigheten hos molekyler som stannar kvar i vattnet blir mindre, vilket i sin tur sänker vattnets temperatur. Detta är orsaken till att det känns kallt när man går ut ur duschen.
Fråga: I vakum skall vatten både kunna koka och frysa till is samtidigt sägs det.
Men vad är det som bestämmer om det kommer att koka eller frysa?
/Kristoffer N, Haraldsbogymnasiet, Falun
Svar: Antag att du har vatten med en temperatur 20 oC i en bägare,
och börjar pumpa ut luften. Vid trycket 2300 Pa börjar vattnet koka.
Det går åt energi för detta, varför vattentemperaturen sjunker.
Efter en stund når vattnet 0 oC, och vattnet börjar frysa.
Trycket är då 600 Pa. Detta fortsätter tills allt vatten frusit till is.
Trycket är då fortfarande 600 Pa. Nu börjar isen avdunsta (sublimera),
och temperaturen och trycket sjunker ytterligare. Tillförs energi från
omgivningen i form av strålning, kommer isen så småningom helt att
avdunsta. /KS
Fråga: Vid vilken temperatur är kokpunkten för vatten
om man befinner sej på Mount Everests topp? /Filip J, Östra skolan, Luleå
Svar: Först får vi ta reda på hur högt Mount Everest är. Detta hittar i Wikipedia: Mount_Everest - 8848 m.
Sedan behöver vi atmosfärstrycket på höjden 8848 m. Detta kan vi beräkna med kalkylatorn under länk 1. Om vi fyller i atmosfärens standardtryck 101.3 kPa och höjden 8848 m får vi ett tryck på 37 kPa.
Slutligen använder vi kalkylatorn under länk 2 (bilden nedan) för att beräkna kokpunkten. Vi fyller i standardtrycket 101.3 kPa, standardkokpunkten 100oC och trycket 37 kPa. Kalkylatorn räknar då ut kokpunkten 75oC.
I Saturated Vapor Pressure for Water finns tabeller för vattnets ångtryck både vid normala temperaturer och vid höga temperaturer. Dessa tabeller kan användas för att uppskatta kokpunkten vid olika tryck.
Fråga: Om man sätter in ett glas med glögg i mikron blir det naturligtvis varmt.
Men om man sedan sätter i en kall sked i glöggen, efter man har
tagit ut glöggen ur
mikron, kommer glöggen att koka över.
Vad är det som orskar denna häftiga reaktion?
/Patrik H, Helenaskolan, Skövde
Svar: Precis samma sak händer med vatten, så i fortsättningen talar
vi om vatten. Man sätter alltså en mugg vatten i mikron.
När det börjar koka i muggen, tar man ut den
och sätter i en sked. Då kokar det upp mer eller mindre häftigt.
Olika förklaringar har givits på detta, lösta gaser eller överhettning.
För att ta reda på vad som är rätt, har vi gjort en del experiment.
Tar man ut muggen precis när det kokat upp, kan man se en del
småbubblor som stiger upp. Där är säkert lösta gaser inblandade. Det
är inte särskilt häftigt, så du frågar om någonting annat. Låter man
muggen stå inne länge, eller kokar man upp samma vatten flera gånger,
driver man ut de lösta gaserna. Då blir reaktionen annan, då kan man
få så häftigt uppkok, att det kokar över.
Det beror på
att vattnet är överhettat. Med en mycket bra termometer har
vi mätt temperaturer på över 108 oC. Det
visar sig, att ju mindre lösta gaser det finns i vattnet, desto
högre blir temperaturen och
desto våldsammare blir fenomenet.
Nu till den detaljerade förklaringen. När vattnet i muggen kokar upp
i mikron, kommer bubblorna upp vid kanten. Det gör att vi får uppströmmar
vid kanten. Det måste kompenseras av en nedström i mitten. I mikron
värms vattnet i hela volymen. Det gör, att det nedströmmande vattnet
värms upp på väg ner. När vi sen tar ut muggen, slutar det koka. Nu
vänder strömmarna. Vattnet sjunker längs kanterna, och stiger i mitten.
Detta hindrar det överhettade vattnet att nå väggarna. Hamnar det nu
något föremål i det överhettade vattnet, kokar det upp våldsamt.
Vi mätte alltså 108 oC, men temperaturen var med säkerhet
högre från början. När man satte dit termometern, började det koka omkring den,
och efter 5 sekunder visade den 108 oC,
för att sedan sjunka snabbt. Man kan uppskatta att temperaturen från
början kan ha varit så hög som 115 oC.
En sak återstår att förklara. Varför kokar
inte det överhettade vattnet i mitten? Jämför vi två bubblor med samma
diameter, en "halvbubbla" vid kanten, och en "helbubbla" i mitten, visar
det sig, att "halvbubblan" har hälften så stor ytspänningsenergi. Det
är alltså energimässigt billigare att starta bubblor vid kanten.
Det finns också andra fenomen, som gör att kokningen startar vid ett föremål.
Det är också ytspänningen som är förklaringen till att vattnet kan
överhettas. I en mycket liten bubbla är ångtrycket högt på grund av
ytspänningen. Högt ångtryck svarar mot hög kokpunkt. Finns ingenting
som bubblor kan starta på, blir vattnet överhettat. Det är alltså
inte helt sant att vatten kokar vid 100 oC.
I en kastrull på spisen inträffar inte detta fenomen, eftersom värmen
tillförs underifrån, och sprider sig med cirkulation.
I mikrovågsugnen värms hela volymen samtidigt.
Varning: Om vattnet kokat någon minut i mikron, kan uppkokningen
bli så häftig, att hälften av vattnet skvätter ut. Tänk på detta,
kokhett vatten är farligt! Man ska inte hålla muggen i handen när man
släpper ner skeden. Sätt den försiktigt på diskbänken, och släpp
ner skeden från ett visst avstånd. Var beredd på att det kan skvätta över.
/KS
Fråga: Att kokpunkten för vätskor minskar med trycket vet man.
Om man skulle släppa ut vatten i rymdens vakuum,
borde då inte vattnet kunna koka vid den absoluta
nollpunkten ( 0 K ) eftersom det inte finns nåt lufttryck?
/Peo E, Thorildsplans gymnasium, Stockholm
Svar: Släpper du ut vatten i vakuum kokar det. Men kokning kräver energi,
och det innebär att vattnets temperatur minskar.
Till slut fryser det till is. Det innebär inte att ångbildningen upphör,
också is kan avdunsta (det kallas sublimering). Man kan till exempel
hänga ut tvätt till tork fast det är minusgrader. Ju lägre temperaturen
är, desto långsammare avdunstar isen. Vid absoluta nollpunkten har den
helt upphört.
/KS
Sök i svenska Wikipedia:
