Johan Andersson, Elmira Mohammadi ochMattias Petersson

Vid en höjning av temperaturen kan ett fast ämne övergå i vätskeform och sedan vid ytterligare temperaturhöjning i gasform. Gasernas egenskaper och övergången från flytande till fast form eller tvärtom är intressant ur många aspekter t.ex. hur vi utnyttjar detta i vår vardag och vilken betydelse detta har för naturen. När man värmer en gas ges gasmolekylerna en större rörelse energi. Detta medför att de kolliderar med en större kraft och därmed kan de utöva ett större tryck på omgivningen som medför att gasen expanderar. Gasen består av ett stort antal molekyler som rör sig slumpmässigt med olika hastighet och riktning. När temperaturen höjs ökar medelavståndet mellan molekylerna om gasen tillåts expandera d.v.s. om det inte existerar ett motsvarande mottryck. Vid normaltryck kolliderar varje molekyl i medeltal 5 miljarder gånger per sekund. Molekylen hinner endast 0,0001 m mellan varje kollision trots att den har en hastighet på 400 m/s ( molekyler i luft).

Varför stiger då varm luft uppåt? Detta sker på samma sätt som en PET-flaska med luft stiger uppåt då den släpps från botten av en swimming-pool. Luften i t.ex en enliters PET-flaska väger ca. ett gram och flaskan i sig väger inte mycket. Vattnet den tränger undan väger 1000 gram. Eftersom PET-flaskan och dess luft väger mindre än den vattenmängd den tränger undan flyter flaskan upp. Detta kan liknas vid en ballong som är fylld med helium. Så länge vikten på ballongen och dess helium där i är lättare än den luft den tränger undan, kommer den att stiga uppåt. Varm luft har större rörelse energi som beskrivits ovan och detta gör att avståndet mellan molekylerna är större och därmed väger en mängd varm luft mindre än en lika stor mängd kall luft. Då den varma luften väger mindre än omgivande luft kommer denna att stiga uppåt.

Genom att variera vibrationen i en platta kan man sätta kulor av olika storlek i rörelse och därmed simulera vad som sker med molekylerna i en gas när temperaturen varierar.

Glascylinder med vibrerande botten

Transformator

Kopplingssladdar

Plastkulor av olika storled och färg.

Genomförande: Kulorna i cylindern befinner sig först i vad som motsvarar "ämnets" fasta fas. När spänningen ökas till 100 V börjar kulorna att röra på sig. Ökas spänningen ytterligare kan man notera att kulornas hastighet ökar tills de flyter omkring. Om detta motsvara "ämnet" flytande fas kan de kulor som frigör sig från mängden sägas befinna sig i ämnets gasfas. Vid ca 200 V rör sig alla kulorna fritt.

I samband med utförandet noteras förändringar av volymen, samt skillnader i "molekylernas" benägenheten att övergå i gasfas.

1.)Luften i en ballong kyls.

Demonstrationen visar hur gasers volym ändras med temperaturen.

Material: Ballong, flytande kväve i en behållare, pincett.

Genomförande: Blås upp en ballong så att den precis går ner i behållaren med flytande kväve. När man tryckt ner ballongen i behållaren krymper den ihop. Därefter tar upp ballongen med en pincett. Eftersom ballongen är ganska skör efter nedkylningen måste man vara försiktig. När ballongen åter befinner sig i rumstemperatur börjar den expandera och återtar sin ursprungliga volym.

2.)Plastflaska med flytande kväve.

Demonstrationen visar volymökningen som sker vid fasövergången från flytande till gasformig.

Material: Plastflaska, flytande kväve, ballong.

Genomförande: Häll flytande kväve i en lämplig plastflaska. Trä en ballong över flaskans öppning och vänta. När kvävet övergår i gasfas sker en volymökning som medför att ballongen expanderar.

Demonstrationen visar volymminskningen som sker vid fasövergången från gasformig till flytande. Kall luft — lägre densitet.

Material: Tom aluminiumburk, värmekälla, bad med kallt vatten.

Genomförande: Tag lite vatten i botten på en aluminiumburk och hetta upp detta med ex. en brännare. När vattnet kokar vänds burken ned i ett kallt vatten bad med öppningen nedåt. Det förångade vattnet avkyls då snabbt och eftersom det i gasfas har större volym än när det avkyls, kommer burken att knycklas ihop.

1. Ballong fylld med helium.

Demonstrationen visar att en ballong med helium som släpps inomhus åker upp i taket.

Utrustning: Tub med heliumgas, ballong.

Utförande: Fyll en ballong med helium och en med luft ( gärna en med gas tyngre än luft ex. koldioxid). Knyt ihop ballongerna så att gaserna inte åker ut. Släpp ballongerna och förklara vad som händer. Helium ballongen åker upp i taken för att den är lättare än motsvarande mängd luft den tränger undan. Ballongen med luft sjunker sakta till golvet eftersom ballongen i sig har en vikt. En ballong med koldioxid sjunker snabbare till golvet än ballongen med luft eftersom koldioxid är tyngre än luft.

2. Varför rösten ändras när man andas in helium.

Utrustning: Ballong fylld med helium.

Utförande: Andas in heliumet i lungorna och försök sedan tala. Den mänskliga rösten bildas då luft passerar de vibrerande stämbanden och genomgår tryckförändringar. De ljud som produceras består av olika frekvenser som studsar fram och tillbaka i hals, mun och näshåla. När detta sker kommer de ljudvågor som studsar att interferera konstruktivt vid vissa frekvenser ( resonans frekvenser) och skapa hörbara ljud.

Vi vet att ljudhastigheten för en ideal gas är proportionell mot roten ur förhållandet T/M. Där T är gasens temperatur och M är gasens molekylvikt. Alltså är ljudhastigheten större för gaser med minst molekylvikt. T.ex. så är ljudhastigheten för noll gradig torr luft 331,3 m/s. Vid samma temperatur är hastigheten i helium 891,2 m/s. Detta ger att resonans frekvenserna för rösthåligheterna (mun, hals, näshåla) är nästan 2,7 ggr högre för helium än för luft. Vid lufttrycket 1 atmosfär och med rent helium strömmandes förbi stämbanden kommer röstläget att vara ca. 2,5 oktaver högre än normalt.

3. Experiment som visar att koldioxid är tyngre än luft.

Utrustning: Bägare med koldioxidgas, Bägare med värmeljus.

Utförande: Ljuset tänds och ställs på botten av bägaren. När koldioxidgasen ifrån den andra bägaren hälls ned i bägaren med ljuset kommer detta att släckas. Koldioxiden är tyngre än luft och tränger undan denna. Ljuset får då inget syre och slocknar.

Luften som finns runt omkring oss trycker ner mot jordytan med sin tyngd. Det kan visas med följande försök: man blåser upp en ballong lite lagom och trär den på en bit slang. Sen snurrar man ballongen så att luften inte åker ut genom slangen. Sedan blåser man lite luft i den andra ballongen och trär den på andra sidan. När detta är klart släpper man taget om den första ballongen. Vad händer? Jo, luften stannar kvar i den uppblåsta ballongen. Det är faktiskt så att trycket är större på ballongen med lite luft. Därför är det egentligen så att ballongen med lite luft i stället försöker blåsa upp den stora ballongen.

På samma sätt som trycket i havet ökar med djupet, uppkommer ett tryck i "lufthavet". Detta får sitt största värde vid jordytan. Att ett sådant tryck existerar, kan vi visa med ännu ett försök: man fyller ett glas med vatten, sedan lägger man en kartongbit över glaset och vänder det upp och ner. Vattnet stannar kvar i glaset. Trycket från luften mot kartongskivans undersida är större än vätsketrycket på översidan. Med en mycket liten öppning på glaset skulle man kunna klara försöket utan pappskivan.

Den italienske fysikern Evangelista Torricelli (1608-1647) tog ett långt glasrör som var tillslutet i ena änden. Det fyllde han med kvicksilver och satte ett finger för öppningen medan han vände på det. Han satte sedan glasrörets öppna ände i en skål med kvicksilver. Kvicksilvret nådde inte ända upp. Så snart glasrörets tillslutna ände kom högre än ungefär 760 mm över kvicksilverytan i skålen, bildades ett tomrum längst upp i röret. Ytan i röret stannade alltså 760 mm över ytan i skålen. Torricelli förstod då att det var trycket från den yttre luften som kunde balansera trycket från kvicksilverpelaren. Han fann också att dennas längd varierade något från dag till dag. Den första barometern var därmed uppfunnen.

Så länge man mest använde kvicksilver barometrar, var det naturligt att ange lufttrycket med höjden av den avlästa kvicksilverpelaren. Enheten blev då 1 mm Hg, även kallad 1 torr (efter Tirricelli). Normalt lufttryck, 760 mm Hg, är trycket från en 760 mm hög pelare nollgradigt kvicksilver på en ort med tyngdfaktorn 9,80665 N/kg.

I den tyska staden Magdeburg uppfann borgmästaren Otto von Guericke en luftpump. Året var 1654, och på den tiden hette landet Preussen. Med luftpumpen gjorde han en berömd uppvisning. Han lät tillvärka två halvklot av kraftig plåt. Dessa kunde sättas ihop till ett klot, som var några decimeter i diameter. Sedan pumpade han ut luften ur klotet. Då visade det sig att det inte gick att dra isär halvorna trots att åtta hästar drog i den ena och åtta i den andra! Mysteriet med de magdeburgska halvkloten väckte stor uppmärksamhet.

Vad var det som gjorde att halvkloten inte gick att dra isär?

Man kan förklara det med lufttrycket: Innan luften pumpades bort var det samma tryck inifrån och utifrån. Då luften inuti var borta fanns det inget tryck inifrån längre. Men trycket på utsidan fanns ju kvar, och det var detta som åstadkom de krafter som höll halvkloten sammanpressade.

Vi vill genomföra liknande experiment under demonstrationen.

Utrustning: Magdeburgska halvklot, vacuumpump.

Utförande: Sätt ihop kloten och pumpa ur luften. Försök att dra isär kloten.