Een hele tijd terug op een zondagavond stond hier een thread over bevriezing enz…
Vermits ik nog wat fysica geef op school en dit thema leerstof is wil ik wel wat meer duiding geven rond deze begrippen. (Wouter L, corrigeer me als ik het fout heb).
Bij het onderstaand stukje ga ik uit van zuiver, dus gedestilleerd water.
Smelten en vriezen van water gebeurt steeds bij 0 °C. Wat overheerst wordt bepaald door de energietoevoer en of -afvoer.
Wanneer men een bekerglas gevuld met fijne ijsblokjes op kamertemperatuur brengt dan zal het ijs geleidelijk aan smelten. Er ontstaat eerst een mengsel van ijs en water en zolang niet alle ijs weggesmolten is zal de temperatuur 0° C blijven. Omgekeerd zal water bij 0 °C bevriezen wanneer we er continu warmte aan ontrekken. Plaatsen we het glas water dus in de vriezer dan zal de temperatuur dalen naar O °C en bevriezing gaan optreden en zolang niet alle water bevroren is zal de temp. 0 °C blijven.
Dit is althans allemaal in theorie want stel dat je een grote ijsblokken heel snel opwarmt in een pan dan zal de temperatuur van het water wel hoger worden omdat het smelten de opwarming niet kan volgen. Ook bij het bevriezen van een diepe plas is ingewikkeld, onderaan de plas zal er wel degelijk een hogere temperatuur zijn dan bovenaan de plas.
Water is op zich een heel eigenaardige stof. Indien we het vergelijken met vergelijkbare molecule zoals H2S dan zouden we op basis van de massadichtheid verwachten dat water bevriest bij –90 °C en kookt bij –68 °C. De reden waarom dit niet gebeurt is door het sterke dipoolkarakter van water. Waterstof vormt samen met zuurstof een covalente binding dwz zij hebben een gemeenschappelijk elektronenpaar maar dat is wat verschoven naar zuurstof toe. Het zuurstofatoom wordt daardoor wat negatiever qua lading en het waterstofatoom wat positiever.
Bovendien maken de waterstofatomen een hoek van 104,5 ° met het zuurstofatoom. Het ‘positieve’ wateratoom van de ene watermolecule zal nu aangetrokken worden door het positieve deel van het zuurstofatoom van de andere watermolecule. Dergelijke aantrekking noemt men een waterstofbrug en verklaart het hoge smeltpunt en kookpunt van water. Het kost immers veel energie om deze waterstofbruggen te breken.
Water is dan ook nog eens uniek omdat het bij vaste toestand een lagere dichtheid heeft dan in vloeibare toestand. Omdat ijs lichter is gaat het drijven en op die manier isolerend werken voor het onderliggende water. Ook hier spelen de waterstofbruggen een belangrijke rol, de watermoleculen gaan zich oriënteren volgens een hexagonale structuur, ze gaan namelijk een zeshoekje vormen met in het midden een holle ruimte. Die holle ruimte verklaart de lagere dichtheid.
Dit is de meest voorkomende vorm van ijs want bij extremere druk bestaan er nog zo’n 15-tal soorten ijs waarvan een aantal met een grotere dichtheid dan het hexagonale ijs.
Druk en smelt- en kookpunt
Een andere vraag is, wat er gebeurt met het smeltpunt van ijs wanneer de luchtdruk vermindert. Er werd die zondagavond oa gesuggereerd dat dit zou stijgen.
Om dit te bestuderen bekijkt men best het fase-diagram van ijs waar je de fase kan aflezen bij elke willekeurige druk en temperatuur.
De horizontale as stelt de temperatuur in Kelvin (273 K = 0 °C).
De verticale as stelt de druk voor in Pa (1 Pa = 100 hPa), de normale druk is ongeveer 10^5 Pascal.
Punt 1 stelt de toestand voor van water bij normale temp (20 °C) en dan zie je dat water zich dan in zijn vloeibare fase bevindt.
Trekken we de lijn horizontaal naar rechts door dan zie je dat water naar de gasvormige fase gaat bij 100 °C ofte 373 K. Dit is de kooklijn. Koken is niks anders dan verdamping binnenin de vloeistof. Er worden dan dampbellen gevormd die naar het oppervlak stijgen. Je ziet dat bij toenemende druk de kooktemperatuur stijgt wat maar normaal is want bij toenemende druk (uitwendig of inwendig) zal de dampspanning evenredig moeten stijgen. Als de luchtdruk daalt dan zie je dat het kookpunt ook daalt en op die manier zal men hoog in de bergen het kookpunt al bereiken bij 80 °C en zal het dus veel langer duren vooraleer de patatten gaar zijn. Water in een vacuümpomp geplaatst kan men zelf laten koken bij kamertemperatuur.
Als je de kooklijn volgt dan kom je bij punt 4 het zgn. kritisch punt, voorbij dit punt (bij hoge druk en hoge temp) is er geen onderscheid meer te zien tussen de vloeibare en gasvormige fase van water.
Gaan we nu van punt 1 naar punt 3 dan komen we aan de stollingslijn en water zal dus bij 0 °C bevriezen. Opmerkelijk is het steile verloop van die lijn, ze staat praktisch verticaal.
En nu komen we aan de vraag van die bewuste zondagavond, een luchtdrukdaling of -stijging heeft geen dus enkele invloed op de bevriezingstemperatuur maw heerst er een druk van 950 hPa of 1040 hPa, water blijft bevriezen bij 0 °C. Alleen bij zeer grote druk zal het smeltpunt verlagen (punt 5). De oorzaak van die steile curve ligt opnieuw in de sterke bindingskracht van de waterstofbruggen.
Wat gebeurt er nu wanneer we ijs van 0 °C in een vacuümpomp brengen ? Dan zal het ijs in toestand 6 terecht komen het zgn. tripplepunt. Dit is het punt waar alle drie de fasen bij elkaar komen maw de kooklijn nadert de stollingslijn. Bij een druk 1000 x lager dan de atmosferische druk gaat ijs volledig sublimeren, er is geen vloeibare overgang. Let wel het fasediagram is een toestandsdiagram maw er kunnen ook vreemde processen plaatsvinden. Stel dat je een emmer water zou uitgieten in de ruimte waar de temperatuur zeer laag is en er vacuüm heerst. Dat water zou dan explosief koken tot fijne druppeltjes die dan vrijwel onmiddellijk zouden bevriezen.
Kometen echter bestaan voor een groot deel uit water- en kooldioxide-ijs, wanneer ze dicht bij de zon komen dan overschrijden zij de sublimatielijn en ijskern gaat sublimeren om zodoende de typische komeetstaart te vormen.
Vermits ik nog wat fysica geef op school en dit thema leerstof is wil ik wel wat meer duiding geven rond deze begrippen. (Wouter L, corrigeer me als ik het fout heb).
Bij het onderstaand stukje ga ik uit van zuiver, dus gedestilleerd water.
Smelten en vriezen van water gebeurt steeds bij 0 °C. Wat overheerst wordt bepaald door de energietoevoer en of -afvoer.
Wanneer men een bekerglas gevuld met fijne ijsblokjes op kamertemperatuur brengt dan zal het ijs geleidelijk aan smelten. Er ontstaat eerst een mengsel van ijs en water en zolang niet alle ijs weggesmolten is zal de temperatuur 0° C blijven. Omgekeerd zal water bij 0 °C bevriezen wanneer we er continu warmte aan ontrekken. Plaatsen we het glas water dus in de vriezer dan zal de temperatuur dalen naar O °C en bevriezing gaan optreden en zolang niet alle water bevroren is zal de temp. 0 °C blijven.
Dit is althans allemaal in theorie want stel dat je een grote ijsblokken heel snel opwarmt in een pan dan zal de temperatuur van het water wel hoger worden omdat het smelten de opwarming niet kan volgen. Ook bij het bevriezen van een diepe plas is ingewikkeld, onderaan de plas zal er wel degelijk een hogere temperatuur zijn dan bovenaan de plas.
Water is op zich een heel eigenaardige stof. Indien we het vergelijken met vergelijkbare molecule zoals H2S dan zouden we op basis van de massadichtheid verwachten dat water bevriest bij –90 °C en kookt bij –68 °C. De reden waarom dit niet gebeurt is door het sterke dipoolkarakter van water. Waterstof vormt samen met zuurstof een covalente binding dwz zij hebben een gemeenschappelijk elektronenpaar maar dat is wat verschoven naar zuurstof toe. Het zuurstofatoom wordt daardoor wat negatiever qua lading en het waterstofatoom wat positiever.
Bovendien maken de waterstofatomen een hoek van 104,5 ° met het zuurstofatoom. Het ‘positieve’ wateratoom van de ene watermolecule zal nu aangetrokken worden door het positieve deel van het zuurstofatoom van de andere watermolecule. Dergelijke aantrekking noemt men een waterstofbrug en verklaart het hoge smeltpunt en kookpunt van water. Het kost immers veel energie om deze waterstofbruggen te breken.
Water is dan ook nog eens uniek omdat het bij vaste toestand een lagere dichtheid heeft dan in vloeibare toestand. Omdat ijs lichter is gaat het drijven en op die manier isolerend werken voor het onderliggende water. Ook hier spelen de waterstofbruggen een belangrijke rol, de watermoleculen gaan zich oriënteren volgens een hexagonale structuur, ze gaan namelijk een zeshoekje vormen met in het midden een holle ruimte. Die holle ruimte verklaart de lagere dichtheid.
Dit is de meest voorkomende vorm van ijs want bij extremere druk bestaan er nog zo’n 15-tal soorten ijs waarvan een aantal met een grotere dichtheid dan het hexagonale ijs.
Druk en smelt- en kookpunt
Een andere vraag is, wat er gebeurt met het smeltpunt van ijs wanneer de luchtdruk vermindert. Er werd die zondagavond oa gesuggereerd dat dit zou stijgen.
Om dit te bestuderen bekijkt men best het fase-diagram van ijs waar je de fase kan aflezen bij elke willekeurige druk en temperatuur.
De horizontale as stelt de temperatuur in Kelvin (273 K = 0 °C).
De verticale as stelt de druk voor in Pa (1 Pa = 100 hPa), de normale druk is ongeveer 10^5 Pascal.
Punt 1 stelt de toestand voor van water bij normale temp (20 °C) en dan zie je dat water zich dan in zijn vloeibare fase bevindt.
Trekken we de lijn horizontaal naar rechts door dan zie je dat water naar de gasvormige fase gaat bij 100 °C ofte 373 K. Dit is de kooklijn. Koken is niks anders dan verdamping binnenin de vloeistof. Er worden dan dampbellen gevormd die naar het oppervlak stijgen. Je ziet dat bij toenemende druk de kooktemperatuur stijgt wat maar normaal is want bij toenemende druk (uitwendig of inwendig) zal de dampspanning evenredig moeten stijgen. Als de luchtdruk daalt dan zie je dat het kookpunt ook daalt en op die manier zal men hoog in de bergen het kookpunt al bereiken bij 80 °C en zal het dus veel langer duren vooraleer de patatten gaar zijn. Water in een vacuümpomp geplaatst kan men zelf laten koken bij kamertemperatuur.
Als je de kooklijn volgt dan kom je bij punt 4 het zgn. kritisch punt, voorbij dit punt (bij hoge druk en hoge temp) is er geen onderscheid meer te zien tussen de vloeibare en gasvormige fase van water.
Gaan we nu van punt 1 naar punt 3 dan komen we aan de stollingslijn en water zal dus bij 0 °C bevriezen. Opmerkelijk is het steile verloop van die lijn, ze staat praktisch verticaal.
En nu komen we aan de vraag van die bewuste zondagavond, een luchtdrukdaling of -stijging heeft geen dus enkele invloed op de bevriezingstemperatuur maw heerst er een druk van 950 hPa of 1040 hPa, water blijft bevriezen bij 0 °C. Alleen bij zeer grote druk zal het smeltpunt verlagen (punt 5). De oorzaak van die steile curve ligt opnieuw in de sterke bindingskracht van de waterstofbruggen.
Wat gebeurt er nu wanneer we ijs van 0 °C in een vacuümpomp brengen ? Dan zal het ijs in toestand 6 terecht komen het zgn. tripplepunt. Dit is het punt waar alle drie de fasen bij elkaar komen maw de kooklijn nadert de stollingslijn. Bij een druk 1000 x lager dan de atmosferische druk gaat ijs volledig sublimeren, er is geen vloeibare overgang. Let wel het fasediagram is een toestandsdiagram maw er kunnen ook vreemde processen plaatsvinden. Stel dat je een emmer water zou uitgieten in de ruimte waar de temperatuur zeer laag is en er vacuüm heerst. Dat water zou dan explosief koken tot fijne druppeltjes die dan vrijwel onmiddellijk zouden bevriezen.
Kometen echter bestaan voor een groot deel uit water- en kooldioxide-ijs, wanneer ze dicht bij de zon komen dan overschrijden zij de sublimatielijn en ijskern gaat sublimeren om zodoende de typische komeetstaart te vormen.