Svar:
Vattnets volymsutvidgning är starkt temperaturberoende. I intervallet
0 - +4 ^oC är den negativ, det vill säga att vattnet krymper
med ökande temperatur. Över 4 grader är den positiv. Vid 20 grader är
den 0.207, vid 50 grader är den 0.457 och vid 100 grader är den
0.752. Alla siffror ska multipliceras med 10^-3.

Fundera: Varför blir det tidigare is på en grund sjö jämfört med
en djup?

Om inte vatten haft denna underliga egenskap, hade sjöarna bottenfrusit
mycket snabbare. Det hade inte varit kul för fisken.
/KS 2001-11-13

Svar:
Det går bra med ett gummiband också!

Gummi har ovanliga egenskaper och uppför sig så, se Natural_rubberElasticity. Uttänjning av gummi utvecklar värme och kontraktion kräver värme. Teoretiskt är det analogt med adiabatisk (utan värmeutbyte med omgivningen) expansion/kontraktion av en ideal gas - bara tvärt om (gasen värms vid kompression och kyls vid expansion).

För "vanliga" elastiska material (t.ex. metaller) lagras elasticitetsenergin elektrostatiskt. Det betyder att, bortsett för lite friktionsförluster, deformationsprocessen inte ändrar strukturen på materialet. Arbetet som går åt för att deformera materialet lagras som potentiell energi eftersom avståndet mellan atomerna ändras från det normala. Temperaturen ändras inte i processen (fortfarande bortsett från friktion).

Gummi har en annan stuktur. Det består av polymerer i form av långa trådar. Trådarna är i viloläget lösa och svänger som gitarrsträngar. När man spänner ett gummiband kan trådarna inte svänga längre. Trådarna avger sin kinetiska energi i form av värme. Gummibandet blir varmt. När spänningen tas bort sker det omvända: värme omvandlas till ordnade svängningar hos trådarna. Gummit kyls alltså ner. Elasticitetsenergin i gummi lagras alltså termiskt såväl som elektrostatiskt.

Experiment:

Häng upp en liten vikt i ett gummiband. Värm gummibandet med en hårtork och observera vad som händer. Till skillnad från de flesta material så blir gummibandet kortare med ökande temperatur. En del av värmeenergin får polymertrådarna i gummit att svänga mer, vilket medför att gummit kontraherar.

Nedanstående video demonstrerar på ett indirekt sätt denna negativa expansionskoefficient för gummiband:



Se även Elasticity_(physics).
/Peter E 2007-12-02

Svar:
Malin! Du har bra idéer om orsaken. Framför allt två effekter kan spela in. Den första effekten om man värmer burken snabbt och den andra om man värmer den länge.

Termisk expansion (att material utvidgar sig när temperaturen blir högre): Metaller utvidgar sig mer än glas, se tabell i artikeln Coefficient_of_thermal_expansion. Lägg märke till att den öppna delen av locket expanderar som om den vore gjord av metallen. Utvidgningskoefficienten för hål är alltså lika med den för omgivningen, se länk 1 (stycket "Thermal expansion : expanding holes") för bevis. Dessutom leder metall värme bra, medan glas leder värme dåligt. Locket blir alltså varmare än glaset, vilket förhöjer effekten att locket expanderar relativt burken. Det blir då lättare att lossa locket dels för att kontakten med burken blir mindre, och dels för att eventuella tryckskillnader kan utjämnas (se nedan).

Att ett hål expanderar som omgivningen används i mekanisk industri för något som kallas krympförband (Shrink-fitting).

Undertryck: Locket sätts på vid en förhöjd temperatur. För en ideal gas gäller den ideala gaslagen (se fråga [15294] eller Gas_laws) att

pV = nRT

Vid konstant volym V och konstant mängd gas (n) är tryckändringen Dp proportionellt mot temperaturändringen DT. Vi får

Dp/p = DT/T

Om omgivningstemperaturen är 20^oC = 293 K och temperaturen när locket sattes på 100^oC får vi

Dp = p80/293 = 1.01310⁵80/293 = 28000 N/m² (pascal, Pa)

Om locket har en radie på 3 cm är ytan 3²p, dvs c:a 30 cm². Totala kraften på locket blir då

0.003028000 = 84 N. Detta motsvarar kraften som krävs för att lyfta c:a 8 kg, alltså en ganska stor kraft.

Om man värmer upp burken genom att hålla den länge under varmvattenskranen reduceras tryckskillnaden och därmed kraften. Observera alltså att tricket att hålla burken under varmvattenkranen hjälper för båda förklaringarna ovan!

Mikroskopisk förståelse av gaslagen:

Man kan förstå varför en viss mängd luft ger lägre tryck vid lägre temperatur. Temperatur är ett mått på molekylernas medelhastighet - om vi har låg temperatur så rör sig molekylerna långsamt. De kommer därför att kollidera med väggarna mindre ofta och mindre våldsamt än om temperaturen är hög. Det är just molekylernas kollektiva effekt på väggarna som makroskopiskt (i vår värld, till skillnad från molekylernas mikroskopiska värld) uppfattas som tryck.
/Peter E 2008-02-22