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].

/Peter E 2007-10-02

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:
Strålning kan vara mycket olika saker även om man begränsar sig till elektromagnetisk strålning. Allting som inte är vid absoluta nollpunkten sänder ut elektromagnetisk strålning, s.k. temperaturstrålning. Allt som belyses med elektromagnetisk strålning reflekterar en viss del av strålningen.

Hur mycket olika apparater strålar är svårt att säga. I vilken enhet? Watt, fotoner/sekund eller i förhållande till skadliga nivåer? Eftersom endast det senare är av praktiskt intresse koncenterar vi oss på dessa. Låt oss gå igenom det elektromagnetiska spektret med utgångspunkt från nedanstående bild (Bilden är från NASA och därmed fri att användas med angivandet av källan. Den finns i större skala på Wikipedia Electromagnetic_spectrum.)

Radiovågor

Anses vara ofarliga eftersom de innehåller mycket lite energi och dessutom går rakt igenom kroppen. Apparater med radiosändare är t.ex. trådlös telefon, trådlöst nätverk.

Mikrovågor

Dessa innehåller mer energi och är dessutom i resonans med vattenmolekylen. Detta betyder att de absorberas i kroppen och kan ge upphov till en viss uppvärmning. Faran med mobiltelefoner är mycket diskuterad, men även mikrovågsugnar läcker en del mikrovågor, se mikrovågsugn.

Infrarött (värmestrålning)

Fjärrkontroller använder ofta infrarött, men de är så svaga at de knappast utgör någon fara. Värmeelement och spisplattor strålar i infrarött, men eftersom huden stoppar stålningen samtidigt som den är känslig för värmen, så bör värmeelement normalt inte utgöra någon fara. Största delen av effekten i glödlampor strålar i infrarött, så glödlampor är egentligen bättre som värmeelement än ljuskällor.

Synligt ljus

Synligt ljus är en form av elektromagnetisk strålning med en våglängd mellan cirka 390 och 770 nanometer. Genom att ögat är känsligt för strålning i just detta intervall, kan vi se vår omgivning. (Ljus)

Ljus kommer från glödlampor, lysrör och lysdioder. Synligt ljus har mycket liten inträngningsförmåga i kroppen, varför strålningen knappast utgör en fara - bara ögat påverkas. Lysdioder (små lasrar) finns även i t.ex. CD-spelare. Ljuset från dessa kan i princip vara skadligt, men bara om man skruvar isär apparaten.

Ultraviolett

Kommer från UV-lampor. Kan orsaka brännskador vid överdriven exponering. Kan på längre sikt även orsaka hudcancer.

Solen är annars den viktigaste och starkaste källan för infrarött, synligt ljus och UV-strålning. Även stjärnor strålar mest i dessa våglängder, men eftersom effekten avtar med kvadraten på avståndet så är effekten från stjärnor helt försumbar.

Röntgenstrålning

Kommer naturligtvis från röntgenapparater, men de har man knappast hemma. Eftersom en gammal tjock-TV ritar bilden med 20 keV elektroner, så kommer det lite röntgenstrålning från bildskärmen. Platt-TV fungerar på ett annorlunda sätt, så de ger ingen röntgenstrålning.

Röntgenstrålning och gammastrålning är vad som betecknas joniserande strålning. Den är genomträngande och kan jonisera (slita loss elektroner) materia den träffar. Joniserande strålning är därför skadlig - speciellt kan den orsaka skador på DNA och därmed, på sikt, cancer.

Gammastrålning

Gammastrålning är en del av den naturliga strålningsbakgrunden från bergarter och från byggnadsmaterial. Så länge bakgrundsnivån inte är mycket förhöjd får man betrakta den som ofarlig - den går knappast att undvika.

Annan strålning

Alfastrålning är inte elektromagnetisk strålning utan består av He-kärnor som utsänds från tunga kärnor. Alfastrålning förekommer i brandvarnare (därför skall dessa när de är slut tas om hand på ett ordnat sätt). Radon, som finns i varierande mängd överallt i bostäder mm, är i vissa fall definitivt ett hälsoproblem.

Har jag glömt något? Det har jag säkert. Vi har inte heller diskuterat magnetfält och elektriska fält som bildas av elektriska apparater. Skadligheten hos dessa är dåligt känd och ganska kontroversiell.

Figuren nedan innehåller mycket nyttig information om elektromagnetisk strålning. Överst visas t.ex. att endast radiostrålning och synligt ljus släpps igenom jordens atmosfär. Termometern längst ner visar vilka våglängder som utstrålas vid olika temperaturer. Synligt ljus utsänds alltså vid temperaturer mellan 1000 K (c:a 700^oC) och 10000 K.

/Peter E 2008-01-18

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 0^oC, 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 0^oC, 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 2008-01-25

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

Svar:
Louise! Skönhet ligger i betraktarens öga :-). Jag tror inte det har så mycket att göra med vilka våglängder ljuskällan sänder ut - för ögat är det inte så stor skillnad på de ljuskällor du nämner. Jag tror att det är viktigare att ljuskällan är liten (nära punktformig) och inte diffus (utbredd). Om du t.ex. har ett stearinljus som källa får du en massa spegelbilder av ljuslågan i diamanten. Det ser mycket vackrare ut är spegelbilden av t.ex. ett lysrör.

En del av ljuset kommer även till ögat efter att ha passerat genom delar av diamanten och därmed delats upp i olika färger som ett spektrum. Om ljuskällan är stor kommer spektrum att bli otydligt (de olika färgerna överlappar och ger intryck av vitt ljus). Det är därför man har en smal ingångsspalt i en spektrograf.

Se även fråga [14331].
/Peter E 2009-01-09

Svar:
Hej Maria! Låt oss resonera systematiskt! Vad menas med att du bränner dig på gommen? Jo det är att gommen blir så varm (hög temperatur) att de värmekänsliga cellerna signalerar hög temperatur eller i värsta fall att man får en liten (övergående) skada. Det väsentliga är alltså att höja gommens temperatur.

För att höja gommens temperatur krävs dels att pizzan har tillräcklig specifik värmekapacitivitet och dels att värmeledningsförmågan är tillräcklig (och naturligtvis att den är tillräckligt varm). Så svaret är alltså: både och! Om värmeledningsförmågan är dålig, är det bara ett tunnt skikt som bidrar: liten temperaturhöjning eftersom temperatursänkningen hos pizzan är stor. Om specifika värmekapacitiviteten är liten, får man igen en stor sänkning av pizzans temperatur.

Metaller har mycket hög värmeledningsförmåga (eftersom det finns fria elektroner) och rimligt hög specifik värmekapacitivitet (värmemängd per kg och K). Man bränner sig alltså mycket på metaller. Du bränner dig på spiken i bastun men inte på trätrallorna. Du bränner dig inte heller på en het aluminiumfolie, eftersom massan är så liten och därmed värmekapaciteten.

Vatten har mycket hög specifik värmekapacitivitet och hygglig värmeledningsförmåga. Torra bitar som brödet har emellertid låg värmekapacitivitet och dålig värmeledningsförmåga eftersom brödet innehåller en massa luftbubblor som leder värme dåligt. Det är alltså på fyllningen (som innehåller mycket vatten) och inte på brödet du bränner dig.

/fa

/Peter E 2009-09-17

Svar:
Marianne! Nej, luften kommer i båda fallen både från munnen och lungorna. Skillnaden är att om du stänger munnen och bara lämnar ett litet hål, så skapas ett litet övertryck i munnen. Eftersom det är ett lite lägre tryck utanför munnen, måste den utströmmande luften expandera. Om en gas får expandera fritt så kyls den. Tvärtom, om en gas komprimeras så värms den upp. Du har säkert märkt att cykelpumpen blir varm när du pumpar upp däcket.
/Peter E 2009-10-22

Svar:
Annika! Jag tror du blivit utsatt för ett skämt! Om det finns så mycket mikrovågor utanför ugnen att ett lysrör tänds, så är det mycket illa!

Mikovågorna hålls innne i ugnen genom att den är konstruerad som en faradaybur (se fråga [8879])
- solid metallplåt inne i ugnen och ett finmaskigt metallnät på luckan. Maskorna är betydligt mindre än mikrovågornas våglängd, så dessa kan inte slippa ut. Enda möjligheten är att dörren eller nätet skadats, men det kan man lätt se. Man behöver alltså inte testa om ungen läcker mikrovågor. Om man vill mäta strålningen (t.ex. för att testa en ny konstruktion) bör man ha mycket bättre mätapparatur än ett lysrör.

Se fråga [16041] om vad som händer med mikrovågsugnar när de blir gamla. Se mer om mikrovågsugnar: mikrovågsugn, länk 1 från strålsäkerhetsmyndigheten och länk 2.

Se fråga [3969] om hur effektiv faradayburen i en mikrovågsugn är.

Hur man kontrollerar effekten hos en mikrovågsugn

När mikrovågsugnen blir gammal blir magnetronen som genererar mikrovågorna mindre effektiv, och det tar längre tid att värma maten. Så här kan du kontrollera hur effektiv din mikrovågsugn är. Du behöver bara en skål (glas eller keramik) med 1 liter kallt vatten och en hyggligt exakt termometer.

Mät temperaturen på vattnet. Säg att vattnet är 20^oC. Kör ugnen 1 minut. Mät vattentemperaturen igen. Säg att vattnet nu är 30^oC. Sedan får vi räkna lite för att få fram effekten. Energin som krävs för att värma vattnet DT K är:

W = mcDT

där m är massan och c är vattnets specifika värmekapacitet 4180 J/(kg K).

Om vi kör mikron under tiden t får vi effekten

P = W/t = mcDT/t

1 liter vatten väger 1 kg, så effekten blir

P = 4180DT/t

Om vi körde mikron 1 minut och temperaturskillnaden var 10 K (eftersom vi har att göra med temperaturskillnader kan vi använda Celsius eller Kelvin) blir effekten

P = 418010/60 = 697 W

Om temperaturdifferensen blir liten bör man öka tiden t för att få bättre noggrannhet.

Den uppmätta effekten jämförs sedan med den nominella effekten enligt bruksanvisningen. Man kan även mäta in-effekten direkt med en wattmeter (se Watt_meter, bilden nedan). Om effekten är betydligt lägre än vad den skall vara är mikrovågsugnen skadad.

Om ovanstående är för krångligt kan man om man har en "standardportion", t.ex. ett fruset halvt franskbröd, helt enkelt se om upptiningen tar längre tid än vanligt.

/Peter E 2010-02-05

Svar:
Tyvärr Bertil, din fru har rätt (igen :-))! Man kan resonera på flera sätt, till exempel: När foten är i kontakt med bandet transporteras den lite neråt. Detta måste kompenseras i nästa steg, så det är en riktig uppförsbacke. Om du tittar noga så flyttar sig tyngdpunkten på löparen upp och ner. Om bandet lutar, så måste denna rörelse vara större för att löparen skall komma rätt i nästa steg. Att springa på ett löpband är helt ekvivalent med normal löpning med undantag för luftmotståndet.

Andra, eventuellt förvånande, fakta är att man kan bli trött utan att utföra arbete (fråga [13327]) och att utfört arbete beror på vilket inertialsystem man befinner sig i (fråga [14380]).
/Peter E 2010-11-20