Hoofdstuk 3

Samenvatting Natuurkunde H3
§ 1: Fasen en Faseovergang
Fase
De fase van een stof, is de toestand waarin een stof kan voorkomen. Als voorbeeld nemen we de stof water. Water in de vloeibare vorm, noemen we water. Als water opeens vast is, noemen we het ijs. Als een ketel warm water staat te dampen, noemen we dat water waterdamp. Met andere woorden, drie verschillende namen voor één en dezelfde stof: water. De meeste stoffen kunnen in de drie verschillende fasen voorkomen:
 Vast

 Vloeibaar
 Gasvormig

In de Natuurkunde gebruiken we voor de verschillende fases, afkortingen:

 (s) van het Engelse solid, voor de vaste toestand
 (l) van het Engelse liquid, voor de vloeibare toestand
 (g) van het Engelse gaseous, voor de gasvormige toestand

De notatie voor water is dan:
Water (s)
Water (l)
Water (g)
Kenmerken
Een vaste stof, een vloeistof en een gas hebben de volgende kenmerken:

Vaste stof
 Een vaste stof heeft een eigen vorm
 Een vaste stof kan niet worden samengeperst
Denk bijvoorbeeld maar aan een stuk ijzer. Leg je een stuk ijzer in een plastic bak, verandert de vorm van het stuk ijzer niet. Het heeft dus een eigen vorm. Onder de normale omstandigheden, kun je dat stuk ijzer ook niet samenpersen.

Vloeistof
 Een vloeistof is schenkbaar

 Een vloeistof heeft een horizontaal oppervlak
 Een vloeistof heeft geen eigen vorm
 Een vloeistof kan niet worden samengeperst
Hierbij kun je denken aan een fles cola. De cola kun je in een glas schenken (bij een stuk ijzer wordt dat natuurlijk moeilijk). Als de cola in het glas zit, is het oppervlak van de cola horizontaal. Als ik het glas iets kantel, verandert er aan het oppervlak niets. Dit blijft namelijk horizontaal. De cola neemt de vorm aan van het glas. Hiervoor nam het de vorm aan van de fles. Schenk ik de cola in een bolle bloemvaas, neemt de cola de vorm aan van de vaas. Met andere woorden, een vloeistof heeft géén eigen vorm. Dit weer in tegenstelling tot het stuk ijzer. Die verandert niet van vorm als ik deze in een ander voorwerp plaats. Als ik flink knijp in een volle colafles, verandert misschien de vorm van de fles een beetje, maar dan moet je al hard kunnen knijpen. Toch wordt de cola niet samengeperst. Immers, het volume van de cola verandert niet. Anderhalve liter cola wordt niet opeens 1,4L als ik de fles iets in knijp. Kortom, een vloeistof kan niet worden samengeperst.

Gas
 Een gas heeft geen eigen vorm
 Een gas verspreidt zich door de ruimte waar het inzit
 Een gas kun je samenpersen

Ook hier geldt dat een gas de vorm aanneemt van de houder waar het inzit. Bijvoorbeeld een ballon. Een vaste stof en een vloeistof vind je de andere dag niet opeens op een andere plaats. Voor een gas geldt dat wel. Sterker nog, die heeft niet eens een dag nodig. Als iemand in de keuken bezig is met eten te bereiden, kun je dat vaak al na enige minuten in de woonkamer waarnemen. De gasfase is dan ook de fase waarin je een stof kunt ruiken. Niet de vloeistof benzine ruik ik, maar de benzinedamp!
En natuurlijk kun je een gas samenpersen. Kijk maar naar de fietspomp. Hier wordt gas (lucht) samengeperst.


Faseovergang
Als ik een kleine hoeveelheid water in een bakje schenk en deze vervolgens in de diepvries plaats, heb ik na enige tijd een ijsblokje. Laat ik deze vervolgens een uurtje in de keuken staan, krijg ik weer water. Met andere woorden, een stof kan overgaan van de één fase in de andere. Dit noemen wij faseovergang. De volgende faseovergangen moeten we kennen:

Smelten
Smelten is de overgang van vast naar vloeibaar. Niet alleen ijs kan smelten, ook kaarsenvet, boter, ijzer enzovoort.

Stollen
De tegenovergestelde overgang van smelten, noemen we stollen. Als het gesmolten kaarsenvet langs een kandelaar loopt, zal het na enige tijd, als het weer iets is afgekoeld, gaan stollen. Het kaarsenvet is dan weer vast. LET OP!!!! Alleen bij water spreken wij van bevriezen. IJzer, kaarsenvet, boter en dergelijke bevriest niet. Het stolt.

Of een stof vast is of vloeibaar, is onder andere afhankelijk van de temperatuur. We weten bij water dat dit gebeurt bij een temperatuur van 0ºC. De temperatuur waarbij een stof overgaat van de vaste fase in de vloeibare, noemen we het smeltpunt. Aangezien dit óók de temperatuur is waarbij de stof overgaat van de vloeibare in de vaste fase, mag je dit punt ook het stolpunt noemen. Dus, smeltpunt en stolpunt ligt voor een bepaalde stof bij dezelfde temperatuur. Zo is het smeltpunt van kaarsenvet ongeveer 54ºC en het smeltpunt van ijzer 1535ºC.

Verdampen
Om aardappelen gaar te krijgen moeten we deze verwarmen in heet water. We brengen water hiervoor tot een punt waar het ‘kookt’. Indien de temperatuur van het water groter wordt dan 100ºC zien we boven het water een damp ontsnappen: waterdamp. Dit is de faseovergang van vloeibaar naar gasvormig. Dit gebeurt bij het kookpunt van de stof (voor water is dat 100ºC).

Condenseren
Als de waterdamp een koudere plaats bereikt, bijvoorbeeld de ramen, zal de temperatuur van de damp weer afnemen tot onder het kookpunt. Op dat moment wordt het gas weer water. We zeggen: ‘Er zit condens op de ramen’. Zo heet ook de faseovergang van gasvormig naar vloeibaar: condenseren.

Iets minder bekend zijn de twee laatste overgangen:


Rijpen
De afgelopen maanden was het vaak erg koud. Zo koud dat als we (jullie dus) ’s morgens naar school fietsen dachten dat het had gesneeuwd. Je ziet dan een ‘sneeuwachtige’ witte neerslag op de takken van bomen, op velden, planten, noem maar op. Toch heeft het die nacht niet gesneeuwd. Wat wel is gebeurd is dat waterdamp, die altijd in de lucht aanwezig is, meteen vast is geworden. Eerst moet ik waterdamp laten condenseren tot water en vervolgens invriezen. Dan pas heb ik waterdamp tot vast ‘omgetoverd’. Rijpen is dus de faseovergang van gasvormig naar vast.

Vervluchtigen/sublimeren
Ook deze faseovergang zie je vaak in de winter. De wegen zijn dan vaak spekglad (ijzel). Na een paar uur is opeens alles verdwenen. Toch heb je hier niet eerst waterplassen kunnen waarnemen. Het vaste water (ijs) is direct overgegaan in waterdamp. Een ander voorbeeld is een stuk zeep. Zoals gemeld ruik je een stof in de gasvormige fase. Als ik aan een stukje zeep ruik, wordt de zeep niet eerst vloeibaar en dan pas gasvormig. Met andere woorden, ik ruik meteen het gas wat van de zeep afkomt. Vervluchtigen is dus de faseovergang van vast naar gasvormig.

Als we water invriezen en later weer laten smelten, hebben we weer ‘gewoon ‘water. Ik heb niet opeens een héél andere stof. Faseovergang moet je dus omschrijven als een natuurkundig proces.

§ 2: Thermometers

Je gevoel voor warmte en kou is niet erg betrouwbaar. Als het bijv. ’s winters
waait, lijkt het kouder dan dat het in werkelijkheid is en lauw water voelt
heet aan, als je koude vingers hebt.

Als je de temperatuur van de buitenlucht wilt meten, moet je een thermometer
gebruiken. Op deze manier kan je de buitentemperatuur betrouwbaar meten.

Een bekend soort thermometer is de vloeistofthermometer. Deze bestaat
uit een reservoir en een stijgbuis waarlangs een schaalverdeling aangebracht
is. Het reservoir is gevuld met alcohol of kwik.


Als de temperatuur stijgt, stijgt de vloeistof ook omdat hij uitzet. Als de temperatuur
daalt, krimpt de vloeistof weer en zakt naar beneden.
Omdat de buis zo klein is, zie je al bij het kleinste temperatuurverschil
de vloeistof stijgen of dalen.

Een thermometer is pas bruikbaar als hij een schaalverdeling heeft.
Wij gebruiken een schaalverdeling in °C. Vloeistofthermometer

Als je zelf een thermometer wilt maken, moet je het volgende weten:
1. Het nulpunt (0°C (het punt waarop water bevriest en ijs smelt))
2. Het honderdpunt (100°C (het punt waarop water kookt))
3. Hoeveel de afstand is tussen deze niveaus en die dan met (100) streepjes verdelen.
4. De afstand tussen de streepjes (zie 3) ook onder het nul- en honderdpunt zetten.

Een koortsthermometer is vaak een met kwik gevulde vloeistofthermometer die van 35° tot 43° loopt, het reservoir ervan is groter, de stijgbuis nauwer en daardoor staan de streepjes ook verder uit elkaar dan bij een gewone thermometer. Hierdoor kan je de temperatuur makkelijker en tot op de 10e graad nauwkeurig aflezen.

In een koortsthermometer zit een vernauwing. Die zorgt ervoor dat als

je je lichaamstemperatuur hebt gemeten, het kwik niet meteen weer
terugzakt naar het reservoir.

Tegenwoordig worden de digitale koortsthermometers het meest
gebruikt. de temperatuur wordt hierop aangegeven in cijfers.

Bijna alle stoffen krimpen als de temperatuur daalt, maar water is
een uitzondering. Als de temperatuur daalt, krimpt water ook,
maar als de temperatuur kouder wordt dan 4°C, zet het water
juist weer uit.