3.2 Theorie

Inleiding

Mercurius, Venus, Aarde, Mars.

De belangrijkste reden dat wij in staat zijn om te leven op de aarde is het feit dat we een overschot hebben aan vloeibaar water. De aarde ligt dan ook op een hele gunstige afstand van de zon. Te dichtbij zou betekenen dat al het water meteen zou verdampen (op Mercurius kan het meer dan 400 °C worden). Te veraf zou betekenen dat al het water al bevroren is voordat dieren of planten het zou kunnen gebruiken.

Dat is niet het hele verhaal. Op aarde is er een kringloop: water smelt en vormt rivieren, rivieren stromen naar oceanen, oceanen verdampen en maken wolken. De wolken houden de warmte van de zon op aarde. De achterkant van de wolken weerkaatst juist zonlicht en zonnewarmte. Het water in de atmosfeer zorgt er dus voor dat we niet teveel uitschieters hebben qua temperatuur.

Op Venus gebeurt dat ook. Het grote probleem van Venus is dat het er zwavelzuur regent, in plaats van water.

Temperatuur en beweging

Lord Kelvin
Lord Kelvin

Een van de regels in de molecuultheorie is dat moleculen sneller bewegen als ze warm zijn.

Dat is eigenlijk omgekeerd: de temperatuur geeft aan hoe snel moleculen bewegen.

Dat betekent ook dat er een moment waarop moleculen stoppen met bewegen. Dat moment noem je het absolute nulpunt, ofwel 0 (nul) Kelvin.

Bij een temperatuur van 0 Kelvin stoppen alle moleculen met bewegen. Dat wordt het Absolute nulpunt genoemd. 0 Kelvin = -273 °Celsius.

Wij gebruiken in het dagelijks leven vaak de schaal van Celsius, omdat we dat gewend zijn. Natuurkundigen gebruiken de schaal van Kelvin, voornamelijk omdat de schaal van Kelvin beter weergeeft hoe de natuur zich gedraagt. Gelukkig is het niet moeilijk om een temperatuur in Kelvin uit te rekenen als je de temperatuur °Celsius weet:

TKelvin = TCelsius + 273

Voorbeeld °C naar Kelvin

Reken om naar Kelvin:

100 °C
= 100 + 273 = 373 Kelvin
0 °C
= 0 + 273 = 273 K
20 °C
= 20 + 273 = 293 K
-50 °C
= -50 + 273 = 223 K
-125 °C
= -125 + 273 = 148 K

Voorbeeld: van Kelvin naar °C

Het omrekenen van Kelvin naar °Celsius reken je precies andersom. Je moet nu het getal 273 aftrekken van het aantal Kelvin om het aantal °Celsius te krijgen:

  1. 158 Kelvin = 158 - 273 = -115 °C
  2. 0 Kelvin = 0 - 273 = -273 °C
  3. 500 Kelvin = 500 - 273 = 227 °C
Samengevat
  • Voor dezelfde temperatuur is het getal in Kelvin altijd hoger als het getal in °C.
  • Dat scheelt altijd 273
  • De temperatuur in Kelvin is nooit negatief.
  • De eenheid Kelvin schrijf je nooit met een ° , zoals in °Celsius. De °Kelvin bestaat dus niet

De fase van stoffen

Een ijsklontje dat op tafel ligt smelt langzamerhand. Er ontstaat een plasje water. Als je lang genoeg wacht droogt dat plasje water ook weer op. Natuurkundig zeg je dan:

  • Het ijsklontje bestaat uit een groep watermoleculen.
  • Die groep watermoleculen vormen in eerste instantie een vaste stof.
  • Doordat de temperatuur van het ijsklontje stijgt wordt het ijsklontje een vloeistof.
  • Doordat de temperatuur nog verder stijgt gaan de watermoleculen nog sneller bewegen. Sommige moleculen schieten dan boven het water uit en bewegen dan in de lucht.

De meeste zuivere stoffen kunnen voorkomen in vaste, vloeibare of gasvorm (veel mengsels ook). Daarom hebben die vormen ook een speciale naam: Aggregatietoestand. Gelukkig is er ook een korte versie van dat woord: Fase.

Met “Aggregatietoestand” of “Fase” wordt aangegeven in welke vorm een groep moleculen zich voordoet: Vast, vloeibaar of gasvormig.

De fases vast, vloeibaar en gasvormig ontstaan niet uit zichzelf. Ze worden veroorzaakt door het gedrag van moleculen:

  • Als een groep moleculen een lage temperatuur heeft bewegen ze langzaam. Die beweging is niet sterk genoeg om de aantrekkingskracht tussen de moleculen te overwinnen.
  • Bij een hogere temperatuur bewegen de moleculen snel genoeg om hun plaats te verlaten. Toch zorgt de aantrekkingskracht tussen moleculen ervoor dat ze bij elkaar blijven.
  • De beweging kan ook veel sterker zijn als de aantrekkingskracht. Op dat moment komen moleculen los van elkaar. Je krijgt dan een gas.

In een schema zie je dit wat duidelijker:

Faseovergangen

Het moment dat een groep moleculen overgaat van de ene fase in de andere noem je een fase overgang.

Een ijsklontje smelt. Op de spiegel in de douche zie je condens. Als het vriest is het gras wit: Dat noem je rijp. Dit zijn allemaal namen voor faseovergangen.

Fasedriehoek

In totaal zijn het er 6: Koken en condenseren, smelten en stollen, en rijpen en sublimeren. Het is vaak gemakkelijker om deze faseovergangen samen te vatten in een diagram dat de fasendriehoek wordt genoemd. Je ziet hem hiernaast.

Voorbeeld: Rijpen en sublimeren

Voorbeeld 1: rijpen en sublimeren

Is het je wel eens opgevallen dat de straat droog lijkt als het vriest? Veel water dat op de straat lag is dan inderdaad bevroren. Maar langzamerhand verdwijnt er ook veel water doordat het is gesublimeerd.

De stof Jodium wordt vaak gebruikt in ontsmettingsmiddelen. Als je de geur ruikt, herken je het meteen. Jodium kun je laten sublimeren en laten rijpen. Door de paarse kleur die het heeft kun je goed volgen wat er allemaal gebeurt.

  • Het jodium is in eerste instantie een vaste stof.
  • Als het wordt verwarmd, sublimeert het. Dat zie je aan de paarse kleur van het gas.
  • Het gas rijpt als het tegen een koude plek komt: er ontstaat weer vast jodium.

Voorbeeld 2: Verdampen en condenseren.

Een pan water is aan het koken. Daar komt damp vanaf. Wat je misschien niet doorhebt, is dat de damp een vloeistof is. Gasvormig water is namelijk kleurloos en kun je dus niet zien.

Voorbeeld 3: Smelten en stollen

Spelen met kaarsvet is altijd een leuke bezigheid. Je ouders zeggen altijd dat je het niet moet doen. Maar stiekem vinden zij het ook leuk.

Voorbeeld 2: Verdampen en condenseren.

Een pan water is aan het koken. Daar komt damp vanaf. Wat je misschien niet doorhebt, is dat de damp een vloeistof is. Gasvormig water is namelijk kleurloos en kun je dus niet zien.

Voorbeeld 3: Spelen met kaarsvet

Voorbeeld 3: Smelten en stollen

Spelen met kaarsvet is altijd een leuke bezigheid. Je ouders zeggen altijd dat je het niet moet doen. Maar stiekem vinden zij het ook leuk.