Fråga: Vi arbetar med vattnets faser. (Detta område tillhör ju kemin, men eftersom man inte kan välja kemi, chansar jag att få svar ändå.)
Vi lät flytande vatten stelna i en behållare. När vi tittade på isen, var den genomskinlig vid kanterna men vitaktig i mitten. Varför denna olikhet i färg?
Mvh Eva /Eva S, Kyrkskolan, Svedala
Svar: Eva,
Gränsen mellan kemi och fysik är lite flytande. Det finns t.ex. forskningsavdelningar som heter Fysikalisk kemi och även Kemisk fysik.
Absorptionskoefficienten för is är mycket nära lika som för vatten, se länk 1. Så förklaringen ligger alltså inte här.
När vattnet fryser upptas bara vattenmolekylerna, föroreningar som luftmolekyler som finns lösta tas inte upp. Koncentrationen av föroreningarna blir alltså större allteftersom vattnet fryser. Till sist bildas infrysta bubblor. Det är alltså dessa bubblor som gör isbiten icke transparent genom att ljuset reflekteras.
Effekten liknar molnbildning -- moln är ju inte genomskinliga eftersom de innehåller vattendroppar som sprider ljuset.
Förklaringen varför kanterna är genomskinliga finns i länk 2. /Peter E
Fråga: Vad händer när de flesta gaser löser sig i vattnet i atmosfären? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Vad händer när de flesta gaser (och avgaser) löser sig i vattnet i atmosfären? eller det det kanske är kemi /Olivia l, kungsholmens grundskola, stockholm
Svar: Olivia!
Ja, det är kemi, men vi kan ändå säga lite.
Vatten i atmosfären förekommer som vattenånga (21208 ) som består av fria molekyler av vatten. En del av vattnet i atmosfären förekommer som små vattendroppar med många namn, t.ex. moln, dimma, dis.
För att vattendroppar skall bildas behövs kondensationskärnor i form av små partiklar (aerosoler), se fråga 15136 . Så förekomsten av aerosoler är viktig för atmosfärkemin.
Vad gäller om gaser löser sig i vattnet så beror det på vilken gas det rör sig om. Gaser som SO2 och NOx kan lösas upp i vattendropparna och orsaka surt regn (se Surt_regn ) som kan orsaka skador på djur och växter. /Peter E
Fråga: Hamnat i diskussion med en vän. Hon påstår att isen ute försvinner snabbare om den fryser till på natten efter den tinat under dagen. Detta på grund av att vattnet tydligen ska avdunsta när det fryser. Jag anser att det går snabbare om det inte fryser till under nätterna utan bara fortsätter tina mer eller mindre hela tiden. Vem har rätt? /Inger F, Lycksele
Svar: Smältvärme, smältentalpi, anger den energimängd som behöver tillföras för att smältning av ett ämne ska kunna fortgå. Molekylerna behöver ett extra energitillskott för att lösgöra sig från varandra. Smältvärme mäts i joule per kg, joule per g eller joule per mol. Vid stelning frigörs motsvarande mängd värme, vilken måste avledas för att stelningen ska fortsätta.
(Smältvärme )
När is smälter krävs alltså energi som tas från omgivningen. Denna värme kan transporteras bort på olika sätt, t.ex. konvektion, avdunstning eller utstrålning.
Vid klart väder är nettoutstrålningen hög (utstrålning stor, instrålning liten) vilket kyler ner och bevarar isen. Vid mulet väder ökar instrålningen vilket värmer och smälter isen.
Förångning gynnas av vind och låg luftfuktighet. Förångning kyler och bevarar därför isen.
Avdunstning och utstrålning kan sänka temperaturen så att vattnet kan frysa till is även om lufttemperaturen är lite högre än 0o C.
Detta är ett mycket besvärligt problem med flera parametrar som påverkar åt olika håll. Det går alltså inte att svara säkert på vem som har rätt. Men jag har svårt att föreställa mig en effekt som innebär att frysning på natten skulle få isen att tina snabbare.
Här är en liknande effekt som är mycket kontroversiell: fråga 7830 och 20760 .
Fråga: Hej!
Jag undrar om det finns något som kan tillsättas vatten för att höja fryspunkten. Även vilka samband som gäller mellan fryspunkt och halt för olika ämnen.
Tack på förhand!
Vänliga hälsningar Emma /Emma F, Västerås
Svar: Detta är egentligen en kemifråga så vi är inte experter.
Fryspunkten för vatten kan sänkas genom att lösa något ämne (vanligtvis salt) i vattnet. Se Freezing-point_depression och nedanstående figur från Wikipedia-artikeln. Man ser att för små salttillsatser sjunker fryspunkten ungefär linjärt till saltkoncentrationen upp till 290 g/kg. Vid högre saltkoncentrationer ökar faktiskt fryspunkten med ökande temperatur, men man kan fråga sig när man slutar ha salt löst i vatten och får vatten löst i salt.
Att höja fryspunkten över 0oC är emellertid mycket svårare om inte omöjligt, se länk 1 och länk 2.
Fråga: Man ska koka vatten i en tekokare och ska betrakta ångan som kommer ut ur tekokarens pipa.
1 Varför kan man inte se ångan precis vid tekokarens pipa?
2 Varför ser man ångan som kommer ut ur tekokarens pipa som ett moln en bit ifrån pipan?
3 Består molnet verkligen av vattenånga? Vad händer om man tänder ett ljus och håller lågan i molnet? /Lisa A, Stockholms universitet, Stockholm
Svar: Bra observationer Lisa! Det finns många missförstånd om vattenånga. Se fråga 21208 för mer om vattenånga.
1 Därför att vattenånga är vatten i gasform (molekylerna är helt fria), och den är osynlig.
2 När vattenångan kommer en bit ut sjunker temperaturen och det bildas små vattendroppar (som dimma) genom kondensation.
3 Som sagt den osynliga biten är vattenånga. Om man har kokat vattnet i tekokaren tillräckligt länge har luften försvunnit och ett ljus slocknar av syrebrist.
Varför syns inte vattenånga? Vattenmolekyler (som är fria i vattenånga) är mindre än en nanometer stora och våglängden för synligt ljus är omkring 500 nanometer. Synligt ljus kommer därför knappast märka vattenmolekylerna. Vattendropparna, däremot, är mer än en mikrometer stora, och sprider ljuset så man kan se en dimma.
Se fråga 13750 för mer om spridning av ljus. /Peter E
Fråga: Hej!
Vatten har högst densitet vid 4 grader Celsius vilket beror på des struktur i fast form. Jag undrar om det finns fler ämnen som har ”oregelbunden” densitet? Finns det ett namn för vattnets speciella densitet och i så fall vilket? Tacksam för svar.
/Linnea S, Sundbyberg
Svar: Enligt dokumentet på länk 1 finns det ämnen som uppför sig som vatten, men det är ovanligt. Etanol, C2H5(OH), har t.ex. vätebindningar som vatten, men densiteten är monotont avtagande med ökande temperatur.
Jag vet inte om det finns något namn för effekten. Länk 1 kallar den "density anomaly", dvs densitetsanomalin.
Fråga: När man kyler ned vatten tar man ju bort energi från det.
Mellan plus fyra grader celsius och noll grader celsius minskar densiteten, och därmed ökar volymen, och detta kan till och med användas för att spränga berg.
Varifrån kommer denna energi, då man tar bort värmet och därmed energi från vattnet?
Mvh
Jörgen /Jörgen L, Öjersjö
Svar: Vid låga temperaturer bildas s.k. vätebindningar, se fråga 17391 och vätebindning . En vattenmolekyl med vätebindning har lägre energi (är mer bunden) än utan vätebindning. Det frigöres alltså energi när vätebindningar bildas. Denna energi måste bort för att vattnet skall frysa till is. Energin kan även utföra mekaniskt arbete, t.ex. spränga berg.
Vid högt tryck hindras bildandet av vätebindningar varvid fryspunkten blir lägre, se fasdiagrammet nedan (gränslinjen mellan område Ih och Liquid) från fråga 17563 . I samma fråga diskuteras även kraftverkan när vatten fryser.
Ursprunglig fråga: Hur kan vatten förekomma som vattenånga i luften vid +20˚C och -20˚C då dess aggregationstillstånd borde vara flytande och fast? /N H
Svar: Svenska Wikipedias definition av vattenånga besvarar din fråga:
Vattenångaär vatten i gasform, alltså ett av vattens aggregationstillstånd. Vattenånga bildas antingen när flytande vatten avdunstar eller när fast is sublimerar. Vatten avdunstar lättare ju högre temperaturen är. Motsatt övergår vattenånga till vätska igen (kondenserar) lättare vid lägre temperatur. På jorden är vattenånga en av faserna i vattnets kretslopp i hydrosfären. Vattenånga är inte synligt för blotta ögat, men man kan se den indirekt, exempelvis som bubblorna i kokande vatten. "Synlig vattenånga" över kokande vatten är i själva verket inte ånga, utan kondenserade små vattendroppar i vätskefas (dimma) på samma sätt som molnen på himlen. (vattenånga )
Det utmärkande för en gas är ju att molekylerna är fria och inte är bundna till varandra. Vattenmolekylen har emellertid många speciella egenskaper. Bland annat har den mycket hög kokpunkt jämfört med andra lätta molekyler. Så snart vattenånga bildats och kylts ner lite börjar vattenmolekylerna slå sig samman, speciellt om det finns små partiklar (kondensationskärnor), och bilda små vattendroppar. Det är alltså dessa vattendroppar (eller iskristaller om det är kallt) vi kan se som moln, dimma eller den synliga "röken" ur en kaffepanna.
Fråga: Hej jag söker svaret på en fundering jag haft ett tag och mina googlingar har varit fruktlösa. (Kanske pågrund av min avsaknad av kunskap av vad jag skall söka efter). Jag vill veta rörlig lufts påverkan på frusna objekt.Ett exempel är att vi har 2 isbitar på en tallrik den ena sätter vi ut i 15/s blåst och den andra får stå i samma tempratur i lä. Så vad har cirkulerande luft för påverkan vid upptining helt enkelt. Tack för en fantastisk sida. /Erik A, Kungshamn
Svar: För att smälta en isbit i luft måste det transporteras värme från luften till isbiten. Smältandet är alltså ett värmetransportproblem.
Värme transporteras från den omgivande luften till isbiten, alltid från varmt till kallt. Värmetransporten är linjärt beroende av temperaturskillnaden.
För isbiten i lä bildas ett tunnt luftlager som kyls ner, vilket betyder mindre temperaturskillnad och därmed långsammare avkylning.
Isbiten som utsätts för vind kan inte bilda ett isolerande luftlager, så den smälter snabbare.
Vindkylningseffekten, se fråga 12765 , är analog men i det fallet har vi en varm kropp och en avkylande kall vind.
1 Den specifika värmekapaciteten definieras som mängden värme som krävs per kg för att höja temperaturen med en grad. Eftersom molekylvikten för vatten är ganska låg (18 enheter) kommer 1 kg vatten att innehålla många mol (och därmed molekyler) och får därmed hög specifik värmekapacitet.
2 Det går åt mycket energi för att bryta upp vätebindningarna som orsakas av den bipolära strukturen hos vattenmolekylen, se fråga 20746 .
3 Vattenmolekylen har tre frihetsgrader för rotation och därtill flera vibrations-frihetsgrader. När vattnet värms upp lagras en del av energin i dessa rotations-vibrations tillstånd, vilket ger en hög värmekapacitet. /Peter E
Fråga: Skiljer sig vattens avdunstningshastighet mellan en saltlösning (NaCl) och en sockerlösning? /Leif J, Kapareskolan, Onsala
Svar: Nej, inte kvalitativt åtminstone. Både joner och fria molekyler minskar avdunsningen eftersom vattenmolekylerna på grund av att de är dipolära binds till joner/molekyler, se länk 1 och 2. Kokpunktsförhöjningen är proportionell mot koncentrationen av joner/molekyler, se
Boiling-point_elevation#The_equation_for_calculations_at_dilute_concentration .
Jämför med fryspunktsändring i fråga 20949 . /Peter E
Jag funderar på saltets anv för att inte vatten skall frysa till is. Socker som också löser sig i vatten, fungerar det också för att hindra frysning, alltså att sockervatten också kräver mer energi för att frysa vattnet. Varför och varför inte? Varför anv man isåfall inte socker,.. /Jennie A, Grevåker
Svar: Ja, det går bra med socker också, se fråga 16786 .
Varför man inte använder socker? Det är dyrare, det går åt mer (sockermolekylerna är mycket tyngre). Det är nog inte så bra för naturen heller.
En annan viktig punkt är att t.ex. koksalt NaCl delar i lösning upp sig i joner Na+ och Cl-, och det är antalet molekyler som bestämmer hur mycket fryspunkten sänks.
Fråga: Hej!
Vid en diskussion i dag nämndes att en isbit i ren/fin alkohol sjunker som en sten, vilket verkar rimligt. Men det sades också att om en människa skulle dyka i vattnet i ett kärnkraftverk så skulle den sjunka som en sten, ty "vattnet är så rent; man kan inte ens simma i det utan att sjunka". Eftersom jag prövat att i badkar flyta med eller utan att ha andats in djupt så tvivlar jag på kärnkraftsuppgiften. Gör jag rätt? /Thomas Å, Knivsta
Svar: Du har rätt i dina tvivel.
Under länk 1 finns en densitetskalkylator för vatten av olika temperatur och salthalt. Vid 25 grader och salthalt 0.039 (havsvatten) är densiteten 1026 kg/m3). Vid 25 grader och salthalt 0 (avjoniserat vatten) är densiteten 997 kg/m3).
Medeldensiteten för en människa är (länk 2) 985 kg/m3. Det är nära, men densiteten är fortfarande lite mindre än vattnets densitet, så det torde inte vara något problem att simma i avjoniserat vatten.
Se fråga 13509 för motsatsen Döda Havet med 30% salthalt. /Peter E
Fråga: Vilket påstående är rätt?
Luft har lägre densitet än vatten eftersom atomerna i luft är lättare.
Luft har lägre densitet än vatten eftersom atomerna eller molekylerna är längre ifrån varandra än i vatten.
Tacksam för svar
Jacob /Jacob A, Täby
Svar: Atomerna i luft är inte lättare. Medel-molekylvikten för luft är 28.8 och för vatten 18.
Ja, molekylerna i vatten är närmare varandra än i luft. Detta beror på att vattenmolekylen är polär, dvs har en asymmetrisk laddningsfördelning, se fråga 20746 .
Anledningen till att vatten är flytande och inte gasformigt vid rumstemperatur är förekomsten av s.k. vätebindningar, se fråga 17391 . Detta gör vattens smältpunkt och kokpunkt mycket höga för att vara en så lätt molekyl. /Peter E
Ursprunglig fråga: För att lättare förklara frågan börjar jag genom att presentera två påståenden:
Antaget att en vattenkropp med volymen V vid temperaturen av 40°C kyls ner till 0°C i tiden t.
En praktiskt likadan vattenkropp med volymen V vid temperaturen av 60°C borde kylas ner till 0°C i tiden t+x där x är tiden det tar att kyla vattnet från 60°C till 40°C. Förutsatt att kylningsförhållanden är likadana.
Med hjälp av dessa påståenden kan man anta att då det varma vattnet (60°C) sätts i en frys och då det når 40°C placeras en praktiskt likadan vattenkropp med starttemperaturen av 40°C bör de även nå frysningspunkten ungefär lika fort.
Skillnaden av mängden evaporerad vätska mellan det initialt varmare och kallare vattnet kan endast förklara några få procents skillnad. Samtidigt är ventilationen tillräckligt tillfredsställande för att luften inte ska öka i temperatur till följd av en längre period av värmeöverföring.
Det innebär att i värsta fall bör skillnaden i tiden det tar att nå frysningspunkten variera med högst 5%.
Under mitt gymnasiearbete (NV) där jag undersöker validiteten av Mpemba-effekten har jag gjort det exakta jämförelsen som förklarades i början. Totalt har 26 mätningar gjorts och vartenda försök uppvisade en skillnad mellan 9,3% (som minst) och 19,8% (som mest). Nedan finns en graf med mätvärden för 14 försök med kranvatten (de resterande 12 varierar i startförhållanden och är ej med i grafen då de avviker rent naturligt).
Frågan är då hur kan man förklara dessa fenomen? De beräkningar jag har gjort på huvudsakligen evaporation, konvektion samt ojämnt temperaturfördelning och dess påverkan på värmeöverföringen är långt ifrån de värden jag åstadkom.
Tack i förhand,
Mvh Bartosz M. Piorkowski /Bartosz P, Möckelngymnasiet, Karlskoga
Svar: Mpemba-effekten har diskuterats här tidigare, se fråga 7830 . Det finns en hel del data som tyder på att effekten är verklig, men det finns ingen bra förklaring till effekten.
Dina resultat (figuren nedan) ser övertygande ut. Jag hade dock föredragit om du ritat in datapunkterna i stället för linjerna som jag antar är något sorts "bästa anpassning". Man hade då kunna bedöma tillförlitligheten från spridningen i datapunkterna.
Du bör även förklara varför du bortser från nästan hälften av mätvärdena.
Ett annat problem är att du, såvitt jag förstår, inte mätt tills provet börjar frysa utan till det når den normala fryspunkten 0oC. Detta är inte den urspungliga Mpemba-effekten. Det du mäter är avkylning av vatten, inte vatten som övergår i is.
Det betyder också att flera av de traditionella förklaringarna (som har att göra med frysningsprocessen) faller bort, framför allt underkylning*).
Här är en utmärkt, aktuell sammanfattning av Mpemba-effekten:
___________________________
*) Underkylning innebär att en vätskas temperatur sänks under dess smältpunkt utan att den övergår i fast form. Exempelvis kan rent vatten (regndroppar och molndroppar) vara underkylt. När den underkylda vätskan träffar fast material, exempelvis marken, kan den snabbt kristalliseras och ge upphov till nedisning. (Underkylning )
Ursprunglig fråga: Om man vill värma kall mjölk i micron samtidigt som en skorpa för att spara tid varför blir mjölken varm medans skorpan inte blir det /Hanna K, FLkenberg, Falkenberg
Svar: Därför att mikrovågorna i huvudsak lämnar sin energi (absorberas) av vattenmolekyler, och skorpan innehåller mycket lite vatten medan mjölken innehåller mycket vatten. Se fråga 15744 .
Anledningen till att mikrovågor absorberas av vattenmolekyler är att dena molekyl är en elektrisk dipol, dvs positiv och negativ laddning är förskjutna i förhållande till varandra.
En elektrisk dipol är inom fysiken två elektriska laddningar med samma magnitud men olika tecken placerade med ett litet inbördes avstånd.
Figuren nedan från Elektrisk_dipol illustrerar laddningsfördelningen hos vattenmolekylen. Mikrovågorna utgörs av oscillerande elektriska och magnetiska fält. Den elektriska komponenten påverkar molekylerna och sätter dem i svängning. Den ökade rörelseenergin övergår genom kollisioner till värme.
Anledningen till att is värms mycket mindre effektivt än flytande vatten är att molekylerna i vatten är fritt rörliga medan molekylerna i is är bundna till varandra och därmed mindre benägna att "svänga med".
Fråga: 1. Varför känns det som det är hetare i en våtbastu än i en torrbastu även när temperaturen är densamma på båda ställena?
2. Under en snörik vinter kan man på en förskola passa på att se hur man kan göra för att en snögubbe ska klara sig så länge som möjligt utan att smälta. Vilka åtgärder föreslår du?
3. När en sjuksköterska baddar din arm med etanol strax innan du får en spruta så känner du att armen blir kall. Varför?
4.Sommaren 2016 var mycket het på vissa delar av jorden, bland annat i Indien. Temperaturen upplevs som ännu högre när luften har hög luftfuktighet, än när den är torr. Enligt SMHI kommer en temperatur på 32° och en relativ fuktighet på 75 %, att motsvara en upplevd temperatur på cirka 43°, och det är på gränsen av vad man kan utstå: ”Vid så höga temperaturer rinner svetten och det är oerhört viktigt att få i sig tillräckligt med vätska för att ersätta den förlorade. Temperaturkontrollen av kroppen kan annars sättas ur spel och man får värmeslag, som kan medföra döden om kroppstemperaturen stiger över 41°.” Förklara varför temperaturen upplevs som högre när luften har hög luftfuktighet, än när den är torr. /Anna L, Högskola, Varberg
Svar: Som du säkert insett har dina frågor mycket gemensamt. De handlar dels om att det krävs energi för att bilda vattenånga av vatten och att smälta is, se fråga 14203 . Bildandet av vattenånga påverkas även av halten vattenånga i den omgivande luften (relativ fuktighet, se fråga 20095 ). Vid hög luftfuktighet kondenseras vattenmolekyler, vilket ger en uppvärmning.
1 Kylningen sker till största delen genom att vatten från huden förångas. Detta kostar energi som tas från huden. Om luftfuktigheten är hög så hindras vattenmolekylerna att förångas. Speciellt illa går det om relativa luftfuktigheten är nära 100%. Då kondenseras i stället vattenmolekyler på huden vilket ger uppvärmning av huden, se fråga 4453 och 12765 .
2 Det effektivaste är att täcka den med halm eller sågspån och en presenning. Då har man emellertid inte mycket glädje av den så man kan pröva med att få ett skyddande islager genom att salta den som man gör med slalombanor, se fråga 15800 .
3 Detta gäller även för vatten, men etanol är mer flyktigt (lägre kokpunkt) så effekten blir mer tydlig även om förångningsvärmet för etanol är mindre änför vatten.
Se även fråga 12765 .
Fråga: Vilka bindningar är kvar trots att vatten byter aggregationstillstånd? /Julia L
Svar: Aggregationstillstånd är de olika former ett ämne kan befinna sig i beroende på temperatur och tryck. De tre i vardagslivet vanligaste formerna är gasform, flytande form och fast form.
Vid högre temperaturer bildas istället plasma, och vid låga formar vissa ämnen Bose–Einstein-kondensat. Vid extremt högt tryck uppstår tillståndet degenererad materia.
Aggregationstillstånd kallas ibland faser, men fas har en mer specifik betydelse. Diamant och grafit är två olika faser av grundämnet kol, men de är i samma aggregationstillstånd, nämligen fast, vid rumstemperatur.
Fast form
Partiklarna (joner, atomer eller molekyler) är packade tätt tillsammans. Krafterna mellan partiklarna är så starka att partiklarna inte kan röra sig fritt, utan endast vibrera. Detta betyder att solid materia har en stabil, avgränsad form och en bestämd volym. Solid materia kan bara ändra form genom att man brukar våld mot den, till exempel bryter eller klipper den.
Solid materia kan transformeras till flytande tillstånd (vätska) genom att man smälter den. Den kan också förvandlas till gas genom sublimering.
Flytande form
Krafterna mellan molekylerna är viktiga, men molekylerna har tillräckligt med energi för att röra sig i relation till varandra och strukturen är rörlig. Det betyder att formen inte är bestämd, utan avgörs av den behållare vätskan befinner sig i. Hos en ideal vätska är volymen bestämd, så länge temperaturen är konstant. I praktiken är dock vätskor i någon mån kompressibla, dock långt ifrån på samma sätt som gaser.
Gas
Molekylerna har så mycket rörelseenergi att krafterna mellan dem är små (eller noll, hos en ideal gas) och molekylerna befinner sig långt från varandra. En gas har ingen bestämd form eller volym, men fyller upp hela den behållare de befinner sig i.
En vätska kan transformeras till gas, om man vid konstant tryck värmer upp den till sin kokpunkt
För att illustrera de olika aggegationstillstånden av ett ämne använder man sig av ett fasdiagram, se fråga 17563 och 12840 .
När det gäller vattnets egenskaper är de så kallade vätebindningarna helt avgörande, se fråga 17391 .
Generellt är bindningarna mellan atomer/molekyler i ett fast ämne mycket starka och de har fixerade vinklar i förhållande till varandra. Vid ökande temperatur vibrerar molekylerna mer och mer tills de förlorar vinkelberoendet och kan röra sig förbi varandra, vi har en vätska. Vi ännu högre temperatur blir vibrationerna så våldsamma att molekylerna blir helt fria och vi har en gas, se nedanstående figur.
Fråga: Materia som är varmare brukar som tumregel ta mer plats - ha lägre densitet - än samma materia som kall; med vissa undantag. Om man har rumstempererat vatten ca 21 grader i en halvlitersflaska och lägger ner fyra isbitar från en frys som var minus 30 grader och skruvar fast locket direkt. Allt under under en minut. När isbitarna har smält i vätskan - är det då högre eller lägre tryck inuti flaskan eller samma som vid tillfället precis efter jag skruvat på locket, men isbitarna ännu inte smält? Gärna även en förklaring varför det är på så vis. /K L, Stockholm
Svar: I fråga 17391 diskuteras varför vatten har egenskapen att is har c:a 10% lägre densitet än vatten
Figuren nedan från Properties_of_water visar densiteten som funktion av temperaturen. Det är, som synes, en stor diskontinuitet vid fryspunkten.
Eftersom densiteten ökar när isen smälter, så minskar volymen. Volymen av vattnet som kyls från 21 grader minskar lite. Volymen när isen smält är alltså mindre än volymen med is, varför du får ett undertryck i flaskan.
Fråga: Kan vatten frysa vid lufttemperaturer över noll grader. /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: En fråga jag fått från elev under praktik:
Ett tunt lager vatten ligger på ett fat som är isolerat mot underlaget. På natten sjunker lufttemperaturen till 1 grader och det är molnfritt. Kan vattnet på fatet frysa? Motivera ditt svar!
Hur ska jag svara på bästa sätt? /Jack E, Lunds Universitet, Lund
Svar: Ja, vattnet kan frysa. Det finns två effekter som kan kyla vattnet så det fryser: utstrålning och förångning.
Om det är molnfritt är det nästan ingen instrålning av värmestrålning (infrarött/mikrovågor) från himlen. Utstrålningen är emellertid vad som motsvarar 1oC. Det betyder att vi har mer utstrålning än instrålning: temperaturen hos vattnet sjunker. Se vidare fråga 7130 .
Om omgivande luftfuktigheten inte är för hög kommer en del av vattnet att förångas. Detta kräver en energi på 2260 kJ/kg (14203 ). Energi tas alltså från vattnet för att sänka temperaturen (2.1 kJ/kg.K) och bilda is (333 kJ/kg). Denna effekt används i snökanoner, se fråga 15592 . /Peter E
Fråga: Hej,
Jag har en fråga om när nollgradig is smälter i en bägare med varmt vatten till nollgradigt vatten.
Jag kan inte förstå mig på formeln:
cvatten × mvatten × ΔT = ls × mis + cvatten × mis × ΔT
(cvatten × mvatten × ΔT) är det värmet som vattnet avger? Och vad betyder (ls × mis + cvatten × mis × ΔT)?
Tack för hjälpen! /Anna J, Göteborg
Svar: Anna! Titta först på fråga 14203 , den är lik men lite mer generell.
Problemet är lite luddigt formulerat. Är det tanken att man från början har nollgradig is och varmvatten och efteråt bara nollgradigt vatten? Det går, men mängden vatten och dess temperatur måste anpassas exakt för att precis smälta isen. Uttrycken du frågar om är emellertid inga problem att tolka.
(cvatten × mvatten × ΔT) är värmemängden varmvattnet avger.
(ls × mis) är värmemängden som krävs för att smälta isen.
(cvatten × mis × ΔT) är värmemängden som krävs för att värma vattnet från isen till sluttemperaturen.
Det finns emellertid ett par problem.
För det första tycks sluttemperaturen inte vara 0 grader.
För det andra står ΔT för två olika saker i ovanstående uttryck.
I (cvatten × mvatten × ΔT) står ΔT för (varmvattnets temperatur-sluttemperaturen).
I (cvatten × mis × ΔT) står ΔT för (sluttemperatur-0).
Din formel skall alltså tolkas så att värmet som krävs för att smälta isen och värma den till sluttemperaturen skall vara lika med värmen som tas från det varma vattnet. /Peter E
Fråga: Hej!
Jag undrar om ljus i luft och vatten. I luft sprids det blå ljuset först och på morgon och kväll när ljuset går långt genom atmosfären så är det bara den röda våglängden som finns kvar och når fram.
I vatten så växer röda alger längst ner eftersom de använder sin komplementfärg som är blått.
Hur kan det komma sig att blått ljus når längre än rött i vatten? /Katarina G, Kåge
Svar: Den enkla förklaringen är att processerna för luft och vatten helt olika.
För luft är det fråga om Rayleigh-spridning som ökar starkt med minskande våglängd, se fråga 13750 .
Absorption av synligt ljus visas i nedanstående figur av absorptionskoefficienten från Electromagnetic_absorption_by_water . Man ser att blått ljus absorberas mycket lite medan rött ljus absorberas c:a 3 storleksordningar (en faktor 1000) mer. Värdet vid minimet vid 420 nm motsvarar 50% absorption på c:a 250 m. I synligt ljus och infrarött är det vattenmolekylens vibrationstillstånd som orsakar absorptionen.
Se fråga 15323 och länk 1 för svar på frågan "varför är vatten blått?". I fråga 10888 behandlas orsaken till att de flesta växter är gröna.
Fråga: Hei!
Jeg er norsk og tar naturfag på videregående skole. Vi er to elever som lurer på følgende: smelter en isbit fortere i romtemperatur enn i kjøleskapet? Vi har observert at mange tiner frossenmat i kjøleskap og de påstår at maten ikke tiner fortere på benken i romtemperatur.
Takk. /Rikard m, sinsen vid., naturfag
Svar: Detta är omvändningen till problemet i fråga 7830 . Till skillnad från det fallet är jag ganska säker att det inte är som du säger. Is tinar snabbare i rumstemeratur än i kylskåpstemperatur! Kycklingfilén som tar en timme att tina i rumstemperatur tar uppåt 10 timmar i kylskåpet.
Anledningen är att både värmeledning (Heat_conduction#Integral_form ) och värmeövergång (länk 1) är proportionella mot temperaturskillnaden. Alltså ju större temperaturskillanden är mellan luften och det som skall tinas, desto mer energi överförs per tidsenhet, dvs det tinar snabbare.
Detta har jag verifierat experimentellt när jag glömt ta ut de frysta kräftorna från kylskåpet. De tinade mycket snabbare ute i luften! /Peter E
Fråga: När vatten fryser till is utvidgas det ju. Hur stor är kraften? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: När vatten fryser till is utvidgas det ju. Hur stor är den kraften? Mätt i Newton. /Ellen L, Finnvedens Gymnasium, Värnamo
Svar: Ellen! För att ge kraften i Newton måste man definiera på vilken yta kraften verkar. Vi börjar med att se vilka tryck i amtmosfärer, där 1 atm = 1.013 105 Pa (N/m2), som krävs för en fasövergång.
Vi behöver även ett så kallat fasdiagram som är en plot med temperatur på x-axeln och tryck på y-axeln där man markerar ämnets aggregationstillstånd (gas, vätska eller fast form) i diagrammet. I fråga 12715 finns ett fasdiagram för vatten. För att vi skall kunna se detaljerna bättre finns en variant nedan där vi zoomat in det intressanta området. Diagrammet är från Water Structure and Science . Det blå området är is (av flera olika typer) och det grönaktiga vatten.
Låt oss som ett exempel utgå från is med temperaturen -10oC och atmosfärstryck. Om vi ökar trycket långsamt och håller temperaturen konstant, så kommer isen att smälta vid trycket 113 Mpa (c:a 1100 atmosfärer) och sedan återgå till is vid 443 MPa (c:a 4400 atmosfärer).
Låt oss anta att vårt prov har en yta på 1 cm2 = 0.0001 m2. Trycket 113 MPa [MN/m2] motsvarar då kraften 0.0001*113*106 = 11300 N. Detta är en kraft på 11300/g = ungefär 1000 kg. Vi behöver alltså åstadkomma en kraft motsvarande ett ton för att smälta isen.
Om isens temperatur är högre erfordras naturligvis mycket mindre kraft, för temperaturen -1oC fordras en kraft motsvarande 100 kg.
Den klassiska förklaringen till varför is är halkigt är alltså inte korrekt: trycket från skridskoskenan är knappast tillräckligt för att smälta lite is och ge ett halkigt ytskikt av vattenmolekyler. Se länk 1 och 2 för alternativa förklaringar.
Observera att isen har olika struktur i olika områden. Stukturen i Ih är den normala som tar c:a 10% mer plats än vatten. I området V har isen en annan struktur och betydligt högre densitet. Observera att axeln med densitet till höger avser flytande vatten.
Fråga: Vi vet att vatten får högre densitet i fast form (is) och att det beror på att vattenmolekylerna binds till varandra i form av ringar i ett nätverk, med bestämda avstånd och vinklar mellan sig. Vår fråga är: Varför binds vattenmolekylerna på detta sätt?
Tack på förhand // Andreas, Felicia och Magdalena - NV10, Ådalsskolan /Magdalena S, Ådalsskolan, Kramfors
Svar: Hej Magdalena och kompisar!
Anledningen till att is har lägre densitet än vatten är att i is har varje syreatom fyra vätebindningar (se Hydrogen_bond#Water och vätebindning ). Dessa vätebindningar är riktade från centrum till hörnen i en tetraeder (Tetrahedron ), se nedanstående bild. När alla fyra vätebindningarna är aktiva (för is) tar vattenmolekylerna mer plats, vilket gör att densiteten blir lägre än i vatten där de "hål" som finns kan fyllas ut av atomer, se bilden i fråga 15410 .
Anledningen till att is har strukturen med vätebindningar är att denna struktur har den lägsta energin (mest bundet). Alla fysikaliska system strävar mot del lägsta tillståndet - ofta kallat grundtillståndet.
Vattnets densitet är maximal vid 4oC. För lägre temperatur minskar densiteten för att strukturen mer och mer börjar likna is (vätebindningar bildas). För högre temperatur är densiteten lägre för att värmerörelsen ökar så att varje vattenmolekyl "tar mer plats".
Vinklarna mellan atomerna (t.ex. 104o mellan väteatomerna i den fria vattenmolekylen, se Water Structure and Science ) bestäms av elektronstukturen. Även här gäller att molekylen vill befinna sig i det tillstånd som har lägst energi.
Varför har då vatten inte fyra vätebindningar utan har mer fri struktur som tillåter molekylerna att packas tätare ihop? Anledning är värmerörelsen. Om man värmer is kommer vattenmolekylerna att vibrera mer och mer tills dom vibrerar så mycket att några av vätebindningarna bryts upp. Man kan också uttrycka det så att en del av energin i värmerörelsen lånas för att bryta upp några av vätebindningarna.
Länk 1 är en ganska lättläst artikel om isens struktur. Länk 2 är en Java-applet som på ett trevligt sätt visar vattnets och isens struktur.
Fråga: Varför fryser saltvatten vid lägre temperatur än sötvatten? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej!
Saltvatten fryser vid lägre temperatur än sötvatten. Finns det något enkelt samband mellan salthalt och frys-/smältpunkt? (Originalfråga: När fryser Döda Havet?) /Thomas Å, Arlandagymnasiet, Märsta
Svar: Thomas! Det finns en formel (länk 1, Hyperphysics) som är en approximation, men den fungerar säkert inte för stora värden på salthalten.
Att förstå varför smältpunkten sjunker med ökande salthalt är emellertid inte så svårt, se länk 2 (som även innehåller en mycket illustrativ animering):
Om man har rent vatten vid 0oC i jämvikt med is av samma temperatur, så kommer lika många vattenmolekyler att fastna på isbiten som lossnar från isbiten. Om man häller i ett salt (det behöver inte vara joner, det går bra även med t.ex. socker) så kommer det att bli en lägre koncentration av vattenmolekyler i den flytande fasen. Detta förskjuter jämvikten så att fler vattenmolekyler lossnar och går i lösning. Detta kostar energi (smältvärmet), så temperaturen sänks. När temperaturen sjunkit lite inställer sig ett nytt jämviktsläge. Vi har alltså fått en lösning som har lägre smältpunkt (fryspunkt) än rent vatten.
Animationen ovan kräver att Macromedia flash plugin är installerat. Om animationen ändå inte startar - försök att ladda om webbsidan.
Förslag till uppgifter med animationen:
Vid 0oC och utan salt är det jämvikt mellan is och vatten.
Klicka på 'add solute' för att tillsätta salt. Isen smälter och temperaturen sjunker (även om detta inte visas).
Ändra temperaturen till -5oC. En del is kommer tillbaka.
Ändra temperaturen till -20. Allt fryser.
Klicka på 'remove solute'. Även vattnet som ersätter saltet fryser.
Observera att animationen är kvalitativ och schematisk. Övertolka inte temperaturer och koncentrationer.
Det finns gränser hur lång ner man kan komma i temperatur, men -18oC bör vara nära den lägsta möjliga (se fråga 12407 om fahrenhetskalan).
Fråga: Hej!
När vatten fryser så skall väl entropin öka, dvs oordningen hos omgivande atomer öka mer än ordningen hos hos atomerna i iskristallerna ökar, mätt i någon enhet, eftersom entropin naturligt ökar.
Min fråga gäller underkylt regn.
Detta vatten har en temperatur under noll grader celsius och borde ha frusit. Betyder det att "oordningsvinsten" av någon anledning är för liten, mindre än "ordningsförlusten" och att vattnet
därför kvarstår i flytande tillstånd, eler är det så att oordningen mer väntar på att få tillfälle att realiseras, att fryskärnorna saknas och att entropin "vill öka" men kan inte i brist på möjligheter för vattnet att frysa. nur fungerar formlerna för entropi, entalpi, fri energi, inre energi o s v för underkylt regn?? /Thomas Å, Arlandagymnasiet, Märsta
Svar: Tomas! Jag tror inte man lär sig mycket med att blanda in entropi. Jag tycker att en enkel modell för hur ett fenomen fungerar mikroskopiskt är bättre än den makroskopiska, matematiska och väldigt teoretiska termodynamiken. Låt oss först se vad underkylning är.
Rent vatten fryser inte omedelbart vid 0oC. Vattnet kan kylas till flera minusgrader och fortfarande vara flytande. En störning (omskakning, om man tillsätter t.ex. sand) får en del av det underkylda vattnet att frysa. Resultatet blir emellertid inte stora fina iskristaller utan vattenblandat snömos. Anledningen till att inte allt det underkylda vattnet fryser är att man måste bortföra värmeenergi för att bilda is från vatten och denna energi upptas av det vatten som blir kvar. För att frysa hela vattenmassan behöver man bortföra energi till omgivningen genom ytterligare kylning.
Nedan finns en video från länk 1 som visar hur underkylt vatten fryser när man rör om i glaset.
Förklaringen till effekten är helt analog med överhettat vatten (se fråga 14395 nedan) och övermättad vattenånga. Det finns hinder att gå från ett aggregationstillstånd till ett annat. Dels kan det vara att små enheter av den nya aggregationstillståndet inte är stabila (små bubblor i kokande vatten, små vattendroppar som kondenseras i vattenånga, små nybildade iskristaller i vatten). Dels kan det finnas en energibarriär som måste övervinnas - ytspänningen i vattnet skapar t.ex. en barriär som motverkar bildandet av små bubblor.
Små fasta partiklar kan i alla ovanstående exempel hjälpa till som kondensationskärnor. Aerosolpartiklar är ju t.ex. mycket viktiga som kondensationskärnor vid molnbildning. Det är inte svårt att förstå att sannolikheten att två fria vattenmolekyler slår sig ihop är ganska liten, medan det går mycket lättare om de har en yta den kan klibba fast vid. Denna effekt anses även viktig när stjärnor och planeter bildas ur interstellära moln av gas och stoft.
Fråga: vad kommer att hända i framtiden om vi fortsätter att förbruka vatten som vi gör idag? /lisa s, solna gymnasium, solna
Svar: Lisa! Totalt sett är vatten ingen bristvara på jorden. Det är bara på begränsade områden som det råder brist på rent sötvatten. Problemet är att det är just där de flesta människorna bor! Om man har tillgång billig icke miljöskadande energi kan man använda haven som en outtömlig källa.
Problemet är alltså egentligen inte en global brist på vatten utan brist på miljövänlig energi, ojämn fördelning av ekonomiska resurser, miljöförorening och brister i infrastrukturen (vattenledningar).
Wikipedia-artikeln Water_crisis ger en bra introduktion till ämnet. Länk 1 innehåller in intressant diskussion om vad som kan komma att hända, och länk 2 innehåller flera intressanta artiklar från Financial Times. /Peter E
Fråga: Vi har gjort en snöhop (ca 3000 m3). Täckt in den med 30 cm
sågspån. Jag undrar: Kan vi fördröja smältningen så
att vi har kvar så mycket snö som möjligt i november?
Kan vi tex vattna högen torra och varma sommardagar?
/Håkan N, Närpes Finland
Svar: Vad skall ni med snö i november? Finns det inte naturligt i Finland då ?
Ni kan fördröja smältningen genom isolering och kylning. Det enda som bestämmer smältningstakten är hur många W värme som tar sig in i högen. Lite vattning och att låta vattnet avdunsta bör hjälpa (ångbildningsvärmet tar värme från högen). Se bara till att inte vattna för mycket - då smälter ni snön med vattnet! /Peter E
Fråga: Vi läser Naturkunskap mot yngre åldrar (15 hp,Lärarutbildning)och har som ex-uppgift att undersöka fenomen som intresserar oss. Vi undrar om ni kan hjälpa oss att förklara, hur det kan komma sig att man kan salta i en slalombana för att få snön mer hållbar inför en tävling? Vad händer med snön? Vilken typ av salt används?
Tack på förhand!
Jeanette och Elisabeth /Jeanette F, Stockholms Universitet, lärarutbildning, Stocholm
Svar: Jag är ingen expert på slalombanor och jag kan inte hitta något om detta på nätet. Vi får därför försöka fundera ut vad som händer.
Salt används ju för att smälta is och snö på vägar, se fråga 14060 . Det kan då tyckas konstigt att man använder det på en slalombana, där man definitivt inte vill ha barmark.
Man använder salt på en slalombana när underlaget är mjukt, dvs när snön är finkornig. Finkornig snö får man t.ex. från en snökanon. Tillsatsen av lite salt gör att lite av snön smälter, men fryser sedan igen (smältningen kostar energi så den orsakar en temperatursänkning) och bildar större snökristaller eller i extrema fall solid is. Man får då ett fastare underlag - till skillnad från pudersnö som är extremt mjuk och finkornig. Duktiga skidåkare föredrar en isig bana till skillnad från du och jag som ser ut som Bambi på is .
Länk 1 nedan beskriver egenskaperna hos olika salter. Fråga 15592 beskriver hur snökanoner fungerar. /Peter E
Fråga: Hur kan man beskriva avdunstning av vatten vid normal rumstemperatur på molekylnivå? Om 1kg vatten avdunstar vid rumstemperatur och 1kg vatten kokas bort vid 100 grader i vilket fall förbrukas mest energi? /Bo S
Svar: Vad gäller avdunstning vid rumstemperatur så skall man se det så att molekylerna har en fördelning i hastighet - vissa molekyler rör sig snabbt och vissa långsamt. De snabba molekylerna har högre sannolikhet att komma loss från vätskan, så det är dessa som försvinner. Eftersom temperaturen är ett mått på medelrörelseenergin, så kommer vätskan att kylas - en effekt man märker när man går ut ur duschen (du fryser när du är våt på väg ut, men inte när du är torr på väg in). Naturligtvis kommer avdunstningen då att minska, såvida man inte värmer upp vätskan.
Enligt länk 1 är ångbildningsvämet för vatten av temperaturen 0oC c:a 10% högre än det vid 100oC. Det kostar alltså mer energi att avdunsta kallt vatten. /Peter E
Ursprunglig fråga: Hur fungerar en snökanon. gärna detaljerad beskrivning /Mikael N, Ekeby skola, Ekeby
Svar: Det finns i pricip två typer av snökanoner. En använder sig av vatten under högt tryck och en kraftig fläkt. Den andra typen har både vatten och luft under högt tryck. Principen är att munstycket utformas så att det bildas små droppar. Dropparna är såpass små att de håller sig svävande ett bra tag så att de hinner växa och frysa.
Konstgjord snö är skild från naturlig snö i det att den består av små iskristaller och bildar inte flingor som naturlig snö. Anledningen är helt enkelt att tiden för att bilda snö är mycket längre i naturen. Annars bildas snön på samma sätt: vattenmolekyler samlas på en kondensationskärna och bildar en droppe. Droppen fryser och fortsätter under sin färd genom luften att fånga in vattenmolekyler.
Det går faktiskt att göra konstgjord snö även om temperaturen ligger lite över 0oC, speciellt om luften är torr. Det finns två effekter som kan åstadkomma den avkylning som krävs.
1 Om man använder tryckluft så kommer luften att avkylas när den får expandera. Detta gäller allmänt: en gas som expanderar avkyls, en gas som komprimeras (trycks ihop) värms upp (se gaslagen, allmänna ). Det senare har du säkert märkt när du pumpat ett cykeldäck - cykelpumpen blir varm efter en stund.
2 Vatten har mycket hög s.k. ångbildningsvärme, dvs det fordras mycket energi för att förvandla vatten till vattenånga. Denna energi tas från vattnet som alltså blir kallare. Om luftfuktigheten i omgivningen är låg, kommer vi att få mycket avdunstning från vattendropparna, och därmed mycket avkylning.
Snökanonens funktion, speciellt vid temperaturer över 0oC, illustrerar alltså två fysikaliska effekter: att expanderande luft avkyls och att en vattendroppe i torr omgivning avdunstar och kyls därmed ner av ångbildningsvärmet.
Se vidare Snow_cannon och länkarna nedan. Länk 1 är en mycket detaljerad och ändå lättillgänglig genomgång av många aspekter på ämnet. Länk 2 innehåller en video som visar hur en snökanon fungerar. /Peter E
Vi undersöker vattenmolekylen. Då vi ska förklara varför det är en dipol kör vi fast. Varför spinner två av syrets yttersta elektroner åt ena hållet och 4 åt andra hållet. Varför inte 3 åt varje håll?
Och kan man verkligen förklara vinkeln genom spinn... Varför delar det fria elktronparet sig inte så att båda elektronerna får så långt avstånd som möjligt till elektronparbindningarna med vätet? /charlotte n, lars kaggskolan, kalmar
Svar: Charlotte! Två av syrets elektroner är i det lägsta tillstådet 1s, två i det näst lägsta 2s och de 4 övriga i 2p. Det senare tillståndet har plats för 6 elektroner, varför det finns 2 vakanser. Detta är orsaken till att syre gärna tar till sig två elektroner, t.ex. från två väteatomer.
Att förstå exakt varför vattenmolekylen ser ut som den gör och varför vinkeln mellan väteatomerna är 104.45o och inte 109.47o som man skulle ha om bindningarna ordnade sig tetrahediskt (länk 1) är inte lätt. Man behöver nog göra ganska stora kvantmekanikberäkningar för detta. Att döma av länk 2 är juryn fortfarande ute i frågan (dvs det finns inget allmänt accepterat svar).
Att förstå varför vattenmolekylen är en dipol är emellertid lätt: elektronerna tillbringar helt enkelt mest tid nära syreatomen, så denna ända blir negativ och väteändan positiv.
För allt som rör vatten i kemisk mening är Martin Chaplins sajt Water Structure and Science ovärderlig. /Peter E
Fråga: Varför ökar volymen när vatten fryser till is? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Varför ökar volymen när vatten fryser till is? Finns det något enkelt sätt att förklara detta för högstadieelever?
Finns det andra ämnen som uppför sig som vatten? /Mats I, Finnbacksskolan, Lycksele
Svar: Vatten har många ovanliga egenskaper (se t.ex. den mycket trevliga (men omfattande) sajten Water Structure and Science ). Sajten A gentle introduction to water and its structure är lite mer lättillgänglig. De flesta av egenskaperna kommer sig av att vattenmolekylen är en dipol och därför bildar vätebryggor (se nedan).
Att fruset vatten har lägre densitet än flytande kan förklaras med att vattnet genomgår en strukturförändring när det fryser, se länk 1 och Water_(molecule)#Density_of_water_and_ice .
Intuitivt är det inte svårt att föreställa sig att vattenmolekylerna i flytande form kan packas mer effektivt än i fast form. I fast form är ju strukturen kristallin och molekylerna radas upp som H-O.-H-O.-H... (O.-H-O kallas för vätebrygga). Denna upplinjering av atomerna är lite slöseri men plats jämfört med om man som i vätskeformen kan packa molekylerna fritt, se nedanstående bild från länk 1 där man kan se att det finns outnyttjade luckor i den högra bilden som är is.
Den stora skillnaden i densitet mellan vatten och is (c:a 10%) är nog unik, men Wikipedia-länken ovan listar några fler ämnen vars densitet minskar när de stelnar (t.ex. vismut och kisel).
Egenskapen att is flyter är mycket viktig för livets utveckling och överlevnad. Om is hade haft högre densitet än vatten skulle ju sjöar och hav bottenfrysa i stället för att skyddas från att frysa av ett islager. Vattenlevande djur hade då haft svårigheter att överleva.
Vatten har som sagt många unika egenskaper som listas under länk 2. De mest påtagliga är hög smältpunkt, hög kokpunkt och mycket hög ångbildningsvärme. De flesta av dessa anomala egenskaper beror på att vattenmolekylen är en dipol, se fråga 15508 nedan. Se även fråga 17391 .
Fråga: Går det att komprimera vatten, och i så fall, vilket tryck behövs? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej! Jag har en fråga om vatten. Går det att komprimera vatten, och i så fall, vilket tryck behövs. /Håkan H, Stockholm
Svar: Kompressibiliteten för vatten är mycket låg, dvs det krävs höga tryck för att komprimera vatten. Water Structure and Science är en fantastisk källa för information om vatten. Där (länk 1) ges kompressibiliteten som
(dV/V)/p = 0.46 GPa-1
I länk 2 ges tabellen
temp oC 0 atm 500 a 1000 a 2000 a 3000 a
0 1.0000 0.9769 0.9566 0.9223 0.8954
20 1.0016 0.9804 0.9619 0.9312 0.9065
50 1.0128 0.9915 0.9732 0.9428 0.9193
Låt oss se hur väl dessa värden stämmer överens: för 20 grader och 1000 atmosfärer är kompessibiliteten
Fråga: Hej! Om en isbit läggs i 0,2 kg vatten som är 18 grader, i en termos med värmekapacitet 80 J/K som också är 18 grader, och isbitens massa är 0,05 kg och dess temperatur -15 grader, hur mycket av isen kommer att smälta och varför är det så? Jag får att 40 g smälter, men läroboken får 45 g. /Annica K, Värmdö, Stockholm
Svar: Hej Annica! Låt oss först samla lite data om vatten som är nödvändiga för att lösa sådana här problem:
Specifik värmekapacitet för is: 2.1 kJ/kg.K
Smältvärme för is: 333 kJ/kg
Specifik värmekapacitet för vatten: 4,18 kJ/kg.K
Ångbildningsvärme för vatten: 2260 kJ/kg
Jämfört med andra ämnen har vatten högt smältvärme, hög specifik värmekapacitet och mycket hög ångbildningsvärme. Detta beror dels på vattnets låga molekylvikt (innehåller många molekyler per kg) och på de vätebindningar som finns mellan närliggande molekyler pga att vattenmolekylen är en dipol. En del av energin går alltså åt för att bryta upp vätebindningar snarare än att "sätta fart" på molekylerna. Water Structure and Science uttrycker det så här:
Water has the highest specific heat of all liquids except ammonia. As water is heated, the increased movement of water causes the hydrogen bonds to bend and break. As the energy absorbed in these processes is not available to increase the kinetic energy of the water, it takes considerable heat to raise water's temperature. Also, as water is a light molecule there are more molecules per gram, than most similar molecules, to absorb this energy. Heat absorbed is given out on cooling, so allowing water to act as a heat reservoir, buffering against changes in temperature.
Fråga: Hej! Min fråga är en följdfråga till svaret på nr 543: "Då sjunker temperaturen tills man når saltblandningens fryspunkt som alltså är lägre än 0 grader." Vilken är saltblandningens fryspunkt om den är lägre än 0 grader? /Sara L, Lärarhögskolan, Stockholm
Svar: Vi har två effekter när det gäller en blandning av is, vatten och salt.
För det första sänks vattnets fryspunkt om man blandar i salt. Detta beror enkelt uttryckt på att saltjonerna hindrar vätebindningarna som håller ihop vattenmolekylerna till is.
För det andra sänks temperaturen: salt sänker fryspunkten -> mer is smälter -> detta kostar energi (smältvärme) -> temperaturen på blandningen sänks. Det går att maximalt komma ner till c:a -18oC på detta sätt.
Se länk 1 för en förklaring varför man saltar vägar för att få bort is. Observera alltså att man faktiskt sänker temperaturen när man spider ut salt, men man får ändå isen att övergå i vatten som är mindre slirigt. /Peter E
Fråga: Om man skär rädisor lite, för att de ska bli dekoration, och sedan lägger de i en skål med vatten som sedan ställs i kylen, viker de ut sig som vackra blommor. Charmerande effekt, men ganska ointressant... Jag funderar mer jag över varför vattnet i ovannämnda skål fryser? Inte mycket, bara som nattgammal is på en vattenpöl, men ändå!? Hur kan det komma sig`? Det är ju flera plusgrader i kylskåpet och sist jag kollade behövde vatten (vanligt kran-) i alla fall 0-gradigt för att kristallisera sig?! Det händer inte mycket om man inte skårar grönsakerna innan, så man får anta att det är något ämne som finns inuti som är "svaret". /ulrika m, stockholm
Svar: Se nedanstående bild och beskrivningen i länk 1.
Jag har svårt att tro att detta kan vara riktigt. Om man tillsätter något till vatten så sänks fryspunkten. Jag har aldrig hört talas om att man kan höja fryspunkten genom att tillsätta ett ämne.
Tillägg mars 2016:
Jag vet inte om effekten är tillräcklig, men man skulle kunna tänka sig att rädisorna fungerar som kylelement. Vatten som sugs upp av rädisorna avdunstar. Rädisorna kyls då ner eftersom det kostar energi att lösgöra vattenmolekyler (ångbildningsvärme). De kylda rädisorna kyler vattnet i skålen tills det fryser. Salter i rädisan sänker fryspunkten för vattnet i rädisan (som glykol i en bilkylare).
Fråga: Hej!
Jag skulle vilja ha svar på följande:
I atmosfären kan ”vatten” befinna sig i flytande form som små vattendroppar ned till så låga temperaturer som –40 grader Celsius. Ju mindre droppar desto lägre temperatur kan droppen ha innan den fryser till is. Detta kallas ”krökningseffekten” inom meteorologin.
Frågor:
a) Tänk nu att man har en behållare som rymmer ca en liter vatten. Behållaren har tjocka väggar–ca en meter- gjorda av ett mycket fast material. Om man nu sänker temperaturen under noll grader Celsius på denna anordning, är det då möjligt att få vattnet att inte frysa till is tack vare att väggarna inte utvidgar sig.
b) Om nu vattnet inte fryser till is får då vattnet samma temperatur som anordningen eller borde vattnet bli varmare?
c) Här kommer en fråga om ISBJÖRNAR också:
1)Vad kan anledningen vara till att isbjörnens hud är svart? Kan det vara för att få ut kroppens värme ända ut i huden?
/Lennart P, Solbergagymnasiet, Arvika
Svar: Det du beskriver är sant, men det är inte det som är krökningseffekten. Så här definieras den: en större partikel blir lättare aktiverad som kondensationskärna än en mindre med samma kemiska sammansättning. Detta kallar vi krökningseffekten. Molnbildning är ett mycket komplext fenomen, och varför vattendropparna inte fryser vet jag inte. Men det var ju inte frågan.
För fråga a och b får vi hänvisa till fasdiagrammet från
Water Structure and Science - bilden nedan. Det gröna området är flytande fas. Vid temperaturer under trippelpunkten vid -22oC (vid III) förekommer vatten bara i fast form. Observera dock att det beroende på tryck och temperatur finns många former av is med olika struktur. Svaret på de första frågorna är alltså att ner till -22oC kan man med högt tryck hindra is att bildas, men vid lägre temperatur går det inte.
Den sista frågan är väl knappast en fysikfråga. Om det är sant att isbjörnarnas hud är svart skulle det kunna bero på deras nära släktskap med brunbjörnen.
Fråga: Hur uppkommer snökristaller och varför ser de så olika ut? /Veckans fråga
Ursprunglig fråga: Hej! Hur kommer det sig att det kan bli skitsnygga stora kristaller på t.ex. ett biltak eller en fönsterruta? Dom är ju jätte konstiga och ligger i en slags ordning, som en bild?
/Oskar E, knnaspsskola, falköping
Svar: Oskar! Detta är ett mycket komplicerat ämne och det är mycket vi inte förstår. Jag är definitivt ingen expert på ämnet. Låt oss börja med vad en kristall är: Nationalencyklopedin (NE) säger:
kristall är fast fas som byggs upp genom periodisk upprepning i tre dimensioner av ett arrangemang eller motiv av atomer. NE skriver emellertid inte mycket om iskristaller. Iskristaller är ofta fraktaler, fraktal är en starkt sönderbruten bild eller mängd vars beståndsdelar ofta är likformiga med helheten.
Fundamentalt är en iskristall en fast sammansättning av vattenmolekyler (H2O). Kristallen hålls ihop av s.k. vätebryggor som är två syreatomer som binds med en mellanliggande väteatom: O-H-O, se figuren i fråga 17391 . Jag misstänker att en anledning till de många olika formerna av iskristaller är den udda vinkeln 104.45o mellan H-O-H i den fria vattenmolekylen.
Water Structure and Science innehåller det mesta man behöver veta om vattenmolekylen och lite till. Bland annat finns det beskrivning på flera olika varianter av is.
Man kan tycka att eftersom vattenmolekyler bildar hexagonala (sexkantiga) kristaller så borde alla snöflingor bestå av en hexagonal kristall. Det fungerar emellertid inte så. En snöflinga är flera millimeter stor, dvs mycket stor i förhållande till vattenmolekylernas storlek. Flingan bildas genom att fria vattenmolekyler (vattenånga) fastnar på ett litet kristallämne eller någon annan liten partikel (aerosol). Denna process är slumpmässig, och vad som bildas är inte en stor kristall utan många små kristaller som slumpmässigt växer i olika riktningar. I själva verket är de flesta snöflingor ganska oregelbundna. De vackra symmetriska är rätt sällsynta men det är oftast dessa man väljer ut för illustrationer. Alla symmetriska flingor uppvisar emellertid på mågot sätt den hexagonala grundsymmetrin.
Fråga: När Celsius skapade sin temperatur skala använde han vattnets fryspunkt och kokpunkt för att definera denna.
Vad är det som Fahrenheit använder i sin skala? /Tomas T, Örebro
Svar: Fahrenheits noll var det kallaste han kunde åstadkomma: en blandning av snö och salt. Saltet sänker vattnets smältpunkt till c:a -18 grader C. 100 grader Fahrenheit definierades som kroppstemperaturen, men han måste ha haft lite feber för det motsvarar 37.8 grader C. Sambandet mellan grader F och grader C ges av:
Fråga: Varför kräver vatten så mycket energi för att bilda ånga? Hur kan kapillärkrafterna uppstå? Varför har vatten högst densitet vid +4 grader? /Anna S, Sannarp, Halmstad
Svar: Många av vattens märkliga egenskaper förklaras av starka så kallade vätebindningar mellan vattenmolekylerna. Till exempel ångbildningsvärmet.
Kapillärkraften beror ytterst av ytspänningen. Detta fenomen beror på att molekylerna vid ytan binds svagare än de inne i vätskan helt enkelt för att de på ytan har färre "grannar". Vätskan strävar därför efter att minimera ytan.
Is har ju lägre densitet än vatten. När temperaturen sjunker börjar vattenmolekylerna lagra om sig, så att strukturen börjar likna is redan innan fryspunkten. Därför får vi ett minimum i densitet vid 4 oC.
Vattens densitet
Länk 1 ger en parametrisering av densiteten som funktion av temperaturen T oC:
r = 1000*(1 - (T+288.9414)/(508929.2*(T+68.12963))*(T-3.9863)^2)
Ord i kursiv stil kan du slå upp i Nationalencyklopedin . Där finns intressanta artiklar om dessa saker. I denna databas kan du söka på kapillärkraft , ytspänning och vätebindning. /lpe
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: Hej!
Jag undrar varför det bildas luftbubblor i ett vattenglas, om det får stå ett
tag. Tack på förhand! /Åsa L, Grans Naturbruksskola, Öjebyn
Svar: I vatten finns nästan alltid lösta gaser (luft). I vattenledningen står
vattnet under ganska högt tryck. Vattnet kan då lösa mera gaser än vid
vanligt lufttryck. När man sedan tappat upp vattnet i ett glas, kommer
överskottsgasen så småningom att bilda luftbubblor.
En ytterligare effekt är att vattnet i kranen är ganska kallt så det blir varmare när det får stå ett tag. Lösligheten av gaser (syre, kväve) i vatten minskar när temperaturen ökar, se nedanstående figur för N2 från länk 1. En del gas lämnar då vattnet.
Anledningen till att lösligheten minskar med ökande temperatur är att gasmolekylerna rör sig snabbare (temperatur är ju ett mått på molekylernas medelhastighet) och har därför lättare att lämna vattnet. En illustration av denna effekt är att koldioxidhalten i atmosfären är högre mellan istiderna än under, eftersom den lägre vattentemperaturen under en istid tillåter att mer koldioxid löses i havet, se fråga 830 .
När man kokar upp vatten, bildas småbubblor i botten innan vattnet kokar riktigt. Det är de lösta gaserna som ger sig iväg. Kokande vatten är helt fritt från lösta gaser.
Ursprunglig fråga: Om man tar 50 gradigt vatten i en spann och ställer ut i -10 gradig luft
samtidigt med en spann med 20 gradigt vatten. Vilken fryser till is först?.
Har hört att "varmt" vatten fryser fortast men har svårt att tro på det. /Claes L, Härryda
Svar: Det är klart att den kallare i de flesta fall fryser först. Effekten är emellertid relativt väletablerad men utan någon enskild enkel förklaring, se Mpemba_effect .
Nedanstående länkar diskuterar några möjliga förklaringar till effekten.
Eftersom det avsvalnande varma vattnet vid någon tidpunkt måste vara av samma temperatur som det kalla vattnet så är det svårt att se att det från början varma vattnet skulle frysa snabbare: två vattenmassor med samma temperatur bör rimligen uppföra sig likadant. Det måste i så fall vara någon skillnad på vattenmassorna, t.ex. gasinnehåll.
En av förklaringarna går ut på att det varma vattnet fryser delvis snabbare (mindre underkylning, se fråga 16785 ) och därför uppfattas som fruset när det i själva verket bara är delvis kylt. Problemet kvarstår dock: vad är det för skillnad mellan det kalla vattnet från början och det varma vattnet när temperaturen passerar begynnelsetemperaturen av det kalla vattnet.
Men det hjälper inte att spekulera ... man borde göra ett försök att påvisa effekten! Jag gjorde ett enkelt försök med istärningsbehållarna. Det var ingen märkbar skillnad på behållaren med kallt vatten och behållaren med hett vatten. Om något så frös den varma vattnet långsammare!
Ett antal möjliga förklaringar listas i Mpemba_effect#Suggested_explanations . Jag tror, om effekten finns, att förklaringen är att det från början kalla vattnet har en större tendens till underkylning.
Försök med temperaturmätning
I länk 2 beskrivs ett experiment där man mätt temperaturen som funktion av tiden, se nedanstående figur. Experimentet är emellertid mycket bristfälligt dokumenterat (t.ex. Var placerades temperatursensorerna? Vad var omgivningens temeratur?).
I början ser plotten rimlig ut. Den röda kurvan (varmare vatten) är brantare än den blå. Detta är rimligt eftersom värmetransporten till omgivningen är proportionell mot temperaturskillnaden.
Från 10 grader är kurvorna i stort sett parallella, vilket är rimligt. Kurvorna planar emellertid ut vid +3 grader och inte som man väntar sig vid vattnets fryspunkt 0 grader. Detta är antingen ett kalibreringsfel eller så sitter temperatursensorerna på fel plats.
Om man verkligen kan tro på mätningen så är det uppenbart att förklaringen är att tiden för frysning är kortare för det från början varma vattnet. På något sätt måste värmetransporten för det varma vattnet vara effektivare än för det kalla vattnet. Vi har fullständig isbildning (kurvan böjer nedåt och isen kyls till under 0 grader) vid 2.5 timmar för det varma vattnet och 4.2 timmar för det kalla vattnet.
Detta är ju en mycket tydlig effekt om man kan lita på mätningen. Varför 0-gradigt vatten som varit varmt fryser snabbare ges emellertid ingen förklaring för.
där förklaringen föreslås vara att fler vätebindningar bildas vid den högre temperaturen. Hur detta påverkar kylhastigheten är emellertid inte uppenbart.
Fråga: En kall morgon så var jag ute vid vår bil och det var
vatten på den fast det var minusgrader, så jag drog handen i
vattnet och några sekunder senare så hade vattnet frusit till is!!
Varför frös vattnet när jag drog handen i det??
/Mattias O, Teknikum, Växjö
Svar: Mycket intressant observation! Jag har sett i fenomenet beskrivet i
litteraturen, men aldrig observerat det själv. Vattnet du observerade
var underkylt, dvs det hade en temperatur under 0 grader, men det
hade inte fryst. När vattnet fryser till is, så sker en mycket omfattande
förändring i stukturen från en oordnad vätska till en ordnad kristall.
Det fordras lite rörelse för att sätta igång denna process, och det var
den rörelsen du orsakade med handen. När processen väl är påbörjad,
så går den - om vattnet är tillräckligt kallt - mycket fort.
/Peter Ekström
Fråga: Varför blir det en fryspunktsnedsänkning när man t.ex sätter koksalt till vatten men en kokpunktshöjning? /
Svar: Det är som du säger att nästan alltid så sjunker fryspunkten när ett salt löses i vatten samtidigt som kokpunkten höjes. Den enklaste förklaringen vi kan ge är följande: Antag vi har en blandning av vatten och is i jämvikt. Temperaturen är alltså 0 grader. Vi tillsätter nu salt i vattnet. Det blir nu en skillnad i koncentrationen av salt i vattnet och i isfasen. En allmän strävan hos naturen är att utjämna koncentrationsskillnader. För att åstadkomma detta smälts is. Då sjunker temperaturen tills man når saltblandningens fryspunkt som alltså är lägre än 0 grader. Vi kan göra motsvarande resonemang då vi har en vatten och ånga i jämvikt vid 100 grader. Om vi tillsätter salt till vattnet så börjar ångan att kondensera och då frigöres värme vilket medför att temperaturen stiger. Vi får alltså en kokpunktshöjning. /Gunnar O
? 
Sök i svenska Wikipedia:
