Dette er venstre ramme i læreverket "Naturfag for alle". Dersom du har kommet hit fra en søkemotor bør du gå til forsiden slik at du kan gå inn i læreverket på riktig måte. Klikk her for å gå til forsiden. Legg merke til kapittelnummeret hvis du vil tilbake hit.

4C Temperatur og indre energi

1 Aggregattilstander

Alt stoff består av små partikler, enten atomer, ioner eller molekyler. I en liter vann vil det for eksempel være ca. 33.000.000.000.000.000.000.000.000 molekyler, eller skrevet på normalform: 3,3 . 1025 molekyler. Molekylene i vannet er ikke i ro, men i stadig, innbyrdes bevegelse.

Figur 1. Vann Nytt vindu

Molekylenes egenbevegelser oppfatter vi som vannets temperatur. Dess høyre temperatur, dess raskere molekylbevegelser. Dess lavere temperatur, dess langsommere. Temperatur er disse bevegelsene.

Til tross for bevegelsene holder molekylene seg samlet, selv om de glir fritt om hverandre. Dette skyldes de tiltrekkende kreftene mellom molekylene. I denne tilstanden er vann flytende. Vi kaller det en væske.

Men dersom temperaturen faller, betyr det at bevegelsene avtar. Til slutt vil de tiltrekkende kreftene være sterke nok til å låse molekylene helt fast til hverandre. Når molekylene ikke lenger kan gli omkring hverandre, er vannet ikke lenger flytende. Det er blitt et fast stoff. Vann i fast form kaller vi is, og vi sier at vannet fryser.

Figur 2. Is Nytt vindu

Hva skjer dersom temperaturen i vannet stiger? At temperaturen stiger betyr at molekylbevegelsene øker. Ved en viss temperatur vil bevegelsene være så kraftige at de overvinner kraften som holder vannmolekylene samlet. Molekylene forlater sine frender og sprer seg utover i det rommet som er åpent for dem. De er selvsagt fortsatt i bevelgelse og farer hit og dit ettersom de kolliderer med andre partikler. Vannet er ikke lenger flytende. Det er blitt en gass. Vann i gassform kaller vi damp, og vi sier at vannet fordamper.

Figur 4. Damp Nytt vindu

Vann kan altså, avhengig av temperaturen, opptre som fast stoff, væske eller gass. Dette er vannets tre aggregattilstander, også kalt faser.

Det finnes også en fjerde aggregattilstand som kalles plasma. Denne tilstanden oppstår ved svært høye temperaturer. Gasspartiklene kolliderer da så voldsomt at elektroner blir slått vekk fra atomene. Plasma består derfor av en blanding av elektroner, positive ioner og/eller frie atomkjerner. I universet er plasmatilstanden den vanligste. Hele solen, for eksempel, er i plasmatilstand. Her på jorden har vi plasma blant annet i polarlyset og i lysrør.

2 Hva er energi?

Energi er et abstrakt begrep. For å forklare hva energi er må vi beskrive den. I samfunn og dagligliv snakkes det om mange typer energi, men grunnleggende sett finnes det bare to typer, bevegelsesenergi og stillingsenergi. Alle andre energityper er egentlig en form for én, eller begge av av disse.

Bevegelsesenergi

Alt som beveger seg har bevegelsesenergi. Mengden bevegelsesenergi avhenger av hvor fort gjenstanden beveger seg, og hvor stor masse den har.

Figur 5. Bevegelsesenergi Nytt vindu

Stillingsenergi

En gjenstand (for eksempel en partikkel) får stillingsenergi hver gang den beveges i motsatt retning av den kraften som virker på den. Mengden stillingsenergi er avhengig av hvor langt gjenstanden beveges, hvor stor masse den har og hvor sterk kraften som virker på den er.

Figur 6. Stillingsenergi Nytt vindu

Energien i svingebevegelser

En type energi kan gå over til en annen. I en pendel har vi en stadig vekslende overgang mellom stillingsenergi og bevegelsesenergi. Når pendelen er i øvre stilling har den bare stillingsenergi. Denne energien går over til bevegelsesenergi når pendelen er på vei ned og går så tilbake til stillingsenergi når pendelen svinger opp igjen på den andre siden.

Figur 7. Pendel Nytt vindu

Pendelbevegelsen er en form for svingebevegelse. En annen form for svingebevegelse får vi i en kule som er opphengt i en fjær.

Figur 8. Svingninger i en kule opphengt i en fjær Nytt vindu

Når en ball spretter opp og ned fra et golv, er også det en svingebevegelse.

Figur 9. Sprettball Nytt vindu

Indre energi

Vi har ovenfor, og i tidligere kapitler, lært at atomer, ioner og molekyler har egenbevegelse. Det vil si at de har energi. Den energien som på denne måten er lagret i et stoff kalles indre energi. Temperaturen i et stoff er uttrykk for den indre energien. Dess høyere temperatur, dess større er partiklenes egenbevegelse og dess høyere er den indre energien.

Er den indre energien bevegelsesenergi eller stillingsenergi?

Når partiklene beveger seg, uansett om det er i fast stoff, væske eller gass, vil situasjonen ha noe til felles med det vi ser i figur 8 og 9. Partiklene er jo mer eller mindre sterkt bundet til hverandre av elektromagnetiske krefter. De utfører svingebevegelser (i fast stoff) eller kaotiske bevegelser (i væsker og gasser) der de stadig beveger seg fra hverandre og mot hverandre innenfor de grenser kreftene tillater. Hver partikkel opplever derfor en stadig veksling mellom de to energiformene, på lignende måte som fjær-kule-systemet i figur 8 eller sprettballen i figur 9. Et øyeblikk har partikkelen stor fart, neste øyeblikk er partikkelen bremset opp, men da har den fått stillingenergi som så setter den i bevegelse igjen.

Indre energi er altså en blanding av bevegelsesenergi og stillingsenergi.

3 Indre energi ved tilstandsoverganger

Vi vil bruke vann som eksempel når vi nå skal studere hva som skjer med den indre energien i et stoff når det går over fra én aggregattilstand til en annen. Dette kalles tilstandsovergang eller faseovergang.

Ved normalt lufttrykk ved havnivå er smeltepunktet for vann 0 oC og kokepunktet 100 oC.

FORSØK 1. IS-VANN-DAMP

Vi fyller en gryte med snø eller isklumper og varmer opp til isen har smeltet til vann og videre til vannet koker. Temperaturen måles en gang hvert minutt fram til vannet har kokt i 3 minutter. Måleresultatet framstilles som linjediagram i et regneark, vist i figur 10.

Figur 10. Temperaturutvikling ved oppvarming av is via vann til koking Nytt vindu

Så lenge innholdet i gryten stort sett er is (1 og 2), holder temperaturen seg på 0 oC, selv om varmen står på for fullt. Straks all is er smeltet (3), stiger temperaturen i vannet raskt (3 og 4). Ved 80 oC (5) begynner det å dampe av gryten. Ved 95 oC begynner temperaturkurven å flate ut. De siste tre minuttene står vannet på den varme platen og koker uten at temperaturen stiger (6). Bobler stiger opp fra bunnen av gryten og dampen velter ut. Temperaturen står hele tiden på 100 oC.

Konklusjon
Ved (1 og 2) blir varme (= energi) tilført snøen uten at temperaturen stiger. Det eneste som skjer er at snøen smelter og blir til vann. Dette må bety at det kreves energi for å omdanne is til vann. Det må også bety at det er mer energi i vann ved 0 oC enn i tilsvarende mengde is ved 0 oC.

Også ved (6) blir det tilført energi til vannet uten at temperaturen stiger. Her er det vann som blir til damp. Dette må bety at det kreves energi for å omdanne vann til damp og at det er mer energi i damp ved 100 oC enn i tilsvarende mengde vann ved 100 oC.

Hvordan går det om vi gjør det motsatt vei? Får vi energien tilbake når damp går over til vann? Og når vann blir til is?

FORSØK 2. DAMP-VANN

A. Vi koker vann i en glasskolbe og fører dampen gjennom rør helt ned i en målesylinder med 50 ml kaldt vann. Det høres en harkende lyd og dampen ser ut til å forsvinne i vannet. Vi ser at vannet i målesylinder stiger. Etterhvert begynner vannet å koke. Forsøket stopper når det er blitt 60 ml vann i sylinderen. Vanntemperaturen i sylinderen måles før og etter forsøket.

B. Vi fyller 50 ml kaldt vann i en målesylinder og måler temperaturen. Så heller vi kokende vann (100 oC) opp i sylinderen til vannvolumet i sylinderen blir 60 ml. Temperaturen måles på nytt.

Figur 11. Temperaturøkning i vann ved tilførsel av tilsvarende mengder damp og kokende vann Nytt vindu

Når vi fører dampen inn i det kalde vannet, avkjøles den og blir til vann. Vi sier at den kondenserer. Damp som kondenseres til 10 ml vann får temperaturen i målesylinderen til å stige minst 88 grader. Men da vi tilsatte 10 ml kokende vann økte temperaturen bare 11 grader.

Konklusjon
Det er mer energi i damp enn i tilsvarende mengde vann ved samme temperatur. Det ser ut til at energien som ble tilført vannet da det ble til damp (fordampningsenergien), blir frigjort når damp går tilbake til vann.

Det frigjøres altså energi når vann i gasstilstand går over til vann i væsketilstand.

Er det tilsvarende tilfelle for overgang til fast tilstand? Vil det frigjøres energi når vann går over til is?

FORSØK 3. VANN-IS

En plastbeholder med tett lokk fylles med vann (ikke helt full) med romtemperatur (ca. 20 oC). Før lokket settes på, puttes en elektronisk temperaturføler opp i boksen. Ledningen fra føleren til avleserenheten føres ut under lokket. Boksen med vann og temperaturføler legges i fryseren (vanligvis - 18 oC). Avleserenheten plasseres utenfor fryseren. Med faste mellomrom avleses temperaturen.

Figur 12. Temperaturen i vann som fryser til is Nytt vindu

Temperaturen i boksen synker gradvis til 0 oC. Deretter står temperaturen på 0 oC i over 20 minutter. Så faller temperaturen gradvis og flater ut ved minus 16 oC, som må være fryserens arbeidstemperatur.

Konklusjon:
Energien som kreves for å holde temperaturen i boksen konstant på 0 oC i omgivelser på minus 16 grader, må komme fra energi som frigjøres når vann blir til is. Det ser altså ut til at den energien som ble tilført isen da den ble til vann (smelteenergien) blir frigjort når vannet igjen fryser til is.

Figur 13. Smelte- og fordampningsvarme for noen stoffer Nytt vindu

Figur 14 viser nøkkelopplysninger om den indre energien i vann. Legg merke til hvor stor energi som skal til ved tilstandsovergangene (særlig mellom vann og damp) i forhold til å øke temperaturen innenfor én aggregattilstand.

Figur 14. Indre energi i vann Nytt vindu

Hvorfor er smelte- og fordampningsvarmen så stor?

Hvorfor skal det så mye energi til for å smelte is eller fordampe vann?

Når et stoff går fra fast tilstand til væske skjer det når temperaturen (= molekylbevegelsene) er blitt så høy at molekylene ikke lenger kan holde fast i hverandre (sammenlign figur 2 og figur 1). Når molekylene ved smeltingen plutselig slipper taket i hverandre, øker den innbyrdes, gjennomsnittlige avstanden mellom de punkter på molekylene som tiltrekkes av hverandre. Hos vannmolkylene er dette mellom den negative oksygenenden og de to positive hydrogenendene (kapittel 4A, figur 19 ).

I enda større grad øker denne avstanden mellom molekylene når stoffet går fra væske til gass, sammenlign figur 1 og figur 4. I begge tilfeller fører dette til at den indre energien i stoffet øker fordi molekylenes stillingsenergi øker. Stillingsenergien øker jo hver gang en gjenstand (for eksempel et molekyl) beveges i motsatt retning av den kraften som virker på den (se Stillingsenergi ovenfor). Siden det er en tiltrekkende kraft mellom molekylene, vil økt avstand mellom dem bety bevegelse i motsatt retning av kraften.

Figur 15. Endringer i stillingsenergi ved tilstandsovergang i vann Nytt vindu

Hva bestemmer smelte- og kokepunkt?

I kapittel 4A lærte vi at atomer danner forbindelser på tre ulike måter, ionebinding, metallbinding og kovalent binding. Vi lærte også at kovalente bindinger mellom ulike atomer vil ha et element av ionebinding i seg, i og med at elektronskyen som deles av atomene blir skjevt fordelt. Dette fører til at molekylet får ender med ulik elektrisk ladning.

Disse ulike bindingstypene fører til stor ulikhet med hensyn til hvor sterkt stoffpartiklene (atomer, ioner eller molekyler) er bundet til hverandre. Vi forstår uten videre at dess sterkere krefter som holder partiklene sammen, dess høyere må smelte- og kokepunkt være. Stoff som er gass ved 25oC, må ha svakere bindingskrefter mellom partiklene enn stoff som ikke smelter før temperaturen er over 1000 oC.

Figur 16. Periodisk system med smelte- og kokepunkt for grunnstoffene Nytt vindu

I figur 16 ser vi at smelte- og kokepunktene for grunnstoffene i gruppe 18, edelgassene, viser at atomene her må ha svært svak tiltrekning til hverandre. Dette stemmer godt med det forhold at de har fullt sett av valenselektroner og derfor ikke har noen energimessig fordel av å slå seg sammen med andre atomer. Edelgassene opptrer som enkeltatomer.

Også grunnstoffene i gruppene 15, 16 og 17 har relativt lave smeltepunkt, de fleste i alle fall, og særlig når de sammenlignes med metallene. Det må bety at metallbindingen i de fleste tilfeller er en sterk bindingstype. Likevel er det ikke-metallet karbon, med ren kovalent binding, som har høyest smeltepunkt av alle (3527 oC), men deretter følger wolfram (3422oC) og en rekke andre metaller. Grunnen til at karbon har så høyt smeltepunkt er den meget sterke strukturen rent karbon har i form av diamant. Karbon har valens fire og i diamantstrukturen er hvert karbonatom omgitt av fire andre. Diamant er også det hardeste stoffet som eksisterer naturlig her på jorden.

I figur 16 kan vi også merke oss at grunnstoff med lavt smeltepunkt, dvs. de som er gasser ved 25 oC, har en væskefase som bare spenner over noen få grader. Det vil si at dersom atomene (i edelgassene) eller molekylene (i de andre gassene) har svak, gjensidig tiltrekning, går de fra fast stoff til gass, med bare et kort "mellomspill" som væske. Spesielle forhold gjør at noen stoff hopper helt over væskefasen, og går fra fast stoff direkte til væske. Dette kalles å sublimere. Se grunnstoff nummer 33 Arsen i figur 16 og karbondioksid i figur 17. Ellers er det typisk for metallene at de er flytende over et stort temperaturintervall. Dette har igjen sammenheng med bindingstypen. Metallbindingen er ikke så helt ulik en flytende tilstand med sin felles elektronsky og evne til å bli formet ved hamring og press uten å gå i stykker.

Figur 17. Smelte- og kokepunkt for noen vanlige kjemiske forbindelser Nytt vindu

Det absolutte nullpunkt

Den nedre enden av temperaturskalaen i figur 16 stopper på temperaturen - 273,15 oC. Dette er det absolutte nullpunktet for temperatur. Temperatur er jo partikkelbevegelsen i stoffet, og ved denne temperaturen er bevegelsen stoppet helt opp. Atomene, ionene eller molekylene er helt i ro. Ingen vibrasjon eller annen bevegelse. Lavere temperatur går det dermed ikke an å oppnå.

Mange stoff får underlige egenskaper når de kjøles ned mot denne temperaturen. Et fenomen er superledning, et annet er en fremmedartet femte aggregattilstand som kalles Bose-Einstein-kondensat. Helium oppviser et fenomen som kalles superflyt. Røres det rundt i en skål med slik væske, vil væsken rotere i det uendelige.

I vitenskapelig virksomhet brukes den absolutte temperaturskalaen. Den setter det absolutte nullpunkt som 0 grader. Avstanden mellom hver grad er den samme som i Celsius-skalaen. Gradene kalles Kelvingrader, forkortet til K. Smeltepunktet for vann, 0 oC, blir dermed 273,15 K.

4 Sammendrag

5 Kontrollspørsmål

Svartabell. Klikk på riktige svar. Grønt betyr riktig, rødt betyr feil. Nytt vindu

  1. Temperatur er egentlig ...
  2. Fast stoff, væske og gass er ...
  3. Alle typer energi er egentlig ...
  4. En gjenstand som beveges i motsatt retning til den kraft som virker på den får ...
  5. Hva er smeltevarme?
  6. Når et stoff sublimerer går det direkte fra...
  7. Å kondensere betyr at ...
  8. Det absolutte nullpunkt har temperaturen ...
  9. Målt i kelvingrader er kokepunktet for vann omtrent ...