Fysik Figura 7-9 blädderex

FIGURA

FYSIK

FYSIK

FIGURA 7–9

Anne Kangaskorte Jari Lavonen Outi Pikkarainen Heikki Saari Jarmo Sirviö Kirsi-Maria Vakkilainen Jouni Viiri Susanne Bergström-Nyberg

7–9

SCHILDTS & SÖDERSTRÖMS www.sets.fi

Anne Kangaskorte Jari Lavonen Outi Pikkarainen Heikki Saari Jarmo Sirviö Kirsi-Maria Vakkilainen Jouni Viiri Susanne Bergström-Nyberg

Schildts & Söderströms www.sets.fi Finska förlagans titel: FyKe Fysiikka 7–9 Redaktör för den finska upplagan: Marja-Leena Simonen-Tikka, Marjaana Lindborg Redaktör för den svenska upplagan: Hans Nordman Grtafisk planering: Liisa Holm och Sari Jeskanen Illustrationer: Tuuli Hypén, Pekka Könönen, Valtteri Mökinen, Kalleheikki Kannisto Omslag: Heidi Hjerppe / Kustmedia Svenska upplagans ombrytning: Eija Högman

© Jari Lavonen, Outi Pikkarainen, Heikki Saari, Jarmo Sirviö, Jouni Viiri och Sanoma ProOy © 2017 Susanne Bergström-Nyberg och Schildts & Söderströms

INNEHÅLL

Fysikens värld........................................... 6

I Värme 1 Värme

utvidgar..........................................10 2 Värme är en energiform..............................14 3 Värme frigörs eller lagras då aggregationstillståndet ändrar.....................18 4 Värme överförs på tre sätt ..........................22 5 Värmebalans i naturfenomen.......................26 + Fördjupa dina kunskaper om värme.............30 Sammanfattning.........................................33

II Vågrörelse 6 En

Kopieringsförbud Det här verket är en lärobok.

Verket är skyddat av upphovsrättslagen (404/61).

Det är förbjudet att fotokopiera, skanna eller på annat sätt digitalt kopiera det här verket eller delar av det utan tillstånd. Kontrollera om läroans­ talten har gällande licenser för fotokopiering och digitala licenser. Mer information lämnas av Kopiosto rf www.kopiosto.fi Det är förbjudet att ändra verket eller delar av det.

Fondernas samarbetsgrupp som består av Svensk kulturfonden, Svenska Folkskolans Vänner, Föreningen Konstsamfundet och Lisi Wahls stiftelse för studieunderstöd har beviljat ekonomiskt stöd för utgivningen av detta läromedel.

Första upplagan, 2017 ISBN: 978-951-52-4208-2

våg färdas framåt – men inte materian i vågen.....................................................34 7 En oscillator alstrar ljud...............................38 8 Ljuset reflekteras från en spegel....................42 9 Ljuset bryts vid ytan mellan två medier..........46 10 Linser förstorar eller förminskar....................50 + Fördjupa dina kunskaper om vågrörelse.......54 Sammanfattning.........................................57

III Rörelse och kraft Hastighet beskriver rörelse..........................58 12 Likformig och accelererande rörelse.............62 13 Krafter uppkommer genom växelverkan........66 14 Lyftkraft och friktion uppkommer vid kontakt...70 15 Tryck orsakas av ämnets egen tyngd............74 + Fördjupa dina kunskaper om rörelse och kraft...................................................78 Sammanfattning.........................................81 11

IV Rörelse och energi Energi omvandlas från en form till en annan.. 58 17 Arbete omvandlar energi............................86 18 Lyftarbete ändrar kroppens potentialenergi....90 19 Effekt och verkningsgrad beskriver energiomvandling......................................94 20 Enkla maskiner underlättar arbete................98 + Fördjupa dina kunskaper om rörelse och energi..............................................102 Sammanfattning.......................................105 16

V Elektricitet När man gnider två föremål mot varandra blir de elektriskt laddade...........................106 22 Spänning ger upphov till en elström i en strömkrets................................................110 23 Strömkretsar undersöks med spännings- och strömmätare............................................114 24 En lampa utgör ett motstånd för elströmmen.118 25 Elektrisk energi överförs och omvandlas i strömkretsar.............................................122 + Fördjupa dina kunskaper om elektricitet......126 Sammanfattning.......................................129 21

VI Energi i samhället Kompassnålen är en permanent magnet.....130 27 Generatorn omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi....................................134 28 Hemmets strömkrets är en del av det riksomfattande elnätet...............................138 29 Elektrisk energi produceras i kraftverken.....142 30 Det lönar sig att spara på elektrisk energi...146 + Fördjupa dina kunskaper om energi i samhället..............................................150 Sammanfattning.......................................153 26

VII Stora och små beståndsdelar i universum Materia och strålning kan observeras.........154 32 Vid radioaktivt sönderfall bildas joniserande strålning................................158 33 I en kärnreaktor frigörs kärnenergi.............162 34 Pieksämäki snurrar runt jorden...................166 35 Universum är stort och gammalt.................170 + Fördjupa dina kunskaper om stora och små beståndsdelar i universum..................177 Sammanfattning.......................................177 31

Bilagor.........................................................178 Register........................................................184 Bildkällor......................................................187 Källor

till illustrationer....................................190

3

Så här använder du läromedlet 1 Boken är indelad i sju avsnitt Fysikboken är indelad i sju avsnitt. Varje avsnitt består av fem kapitel med två uppslag och efter det ett Fördjupa dina kunskaper – kapitel. I innehållsförteckningen kan du lätt se vad som behandlas i de olika avsnitten.

2 Texten hjälper att förstå I början av varje kapitel finns en text och en bild som introducerar ämnet med exempel ur vardagen. Det första uppslaget behandlar oftast grunderna i ämnet medan det andra uppslaget fördjupar ämnet. Rubrikerna sammanfattar kärnpunkterna i kapitlet. Nya centrala begrepp är tryckta med fet stil. Rubrikerna och det fetstilta hjälper dig att hitta det centralt viktiga. lyfter fram 3 Faktarutorna

det viktigaste i kapitlet

I varje kapitel finns faktarutor i vilka man har sammanfattat det viktigaste i kapitlet. Med hjälp av dessa kan du lätt hitta det centrala i innehållet. Det lönar sig att läsa faktarutorna på nytt efter att man läst hela kapitlet eller då man repeterar inför prov.

4

1

4

ttumalla Lämpö voi siirtyä kulje aineen mukana kasvojasi, saattaa selkääVaikka nuotio lämmittää ttamaasi lämpöenergiaa si osuva tuuli viedä luovu u viileältä. Lämpö voi mukanaan ja selässäsi tuntu kuten ilman, mukana. siirtyä liikkuvan aineen, ttavat nestemäiset ja Yleisimmin lämpöä kulje in tapauksissa lämpö voi kaasumaiset aineet. Joissa n mukana. Esimerkiksiirtyä myös kiinteän ainee liikkuu auton mukana. si lämmin auton moottori n mukana sanotaan Lämmön siirtymistä ainee i. Esimerkiksi tuulet ja lämmön kuljettumiseks öenergiaa. merivirrat kuljettavat lämp

Lämpö siirtyy kolmella tavalla

ojasi. ssä. Tuli lämmittää kasv Istut kivellä nuotion ääre anottavat energiaa vasta ne sillä , ottaa Kasvojasi kuum lla voi silti y nuotiosta sinuun. Sinu nuotiosta. Lämpöä siirty lämpöä kiveen ajan koko y siirty ta olla kylmä, sillä sinus si. tuuli voi viilentää oloa ja ilmaan. Myös kylmä ä vaatteilla ja Mitä yhteistä on lämpöisill koiran turkilla?

Lä Nu ta sä on tu p

p v

s n v

Lämmön kuljettuminen la liikkuvan aineen Lämpö siirtyy kuljettumal mukana.

2

öä Vesi kuljettaa hyvin lämp lämmittää länsituulten Talvella Suomen ilmastoa va lämpöenergia. Kariilmamassan mukana liikku n lämpimän Golfvirran bianmereltä alkunsa saava öä aina Norjan länsiranmukana kuljettuu lämp a liikkuu valtava määrä nikolle saakka. Golfvirrass rgia siirtyy vedestä sen lämmintä vettä. Lämpöene n. Tuulen mukana kulyläpuolella olevaan ilmaa irran lämpöenergiaa että kee Suomeen sekä Golfv öyryä. merestä haihtunutta vesih vat siitä, että vedelEdellä kuvatut ilmiöt johtu pasiteetti. Vettä käytepöka aisläm lä on suuri omin en sekä keskuslämmitäänkin lämmön kuljetukse pöputkissa. tyspattereissa että kaukoläm

Lämpötilat tasoittuvat a sen päälle istuu. IstuLämpö siirtyy johtumall Kivi tuntuu kylmältä, kun aratik makk lämpöllinen meta öä kiveen. Kun kaksi eri Nuotion liekissä pidetty sisäl- jasta siirtyy lämp n Tiku an. an, kapaalta kautt kappaletta koskettavat toisia a ku lämpenee vähitellen oleva a tilass emasta kohdasta kylm at tasoittua. Tasoittumilä lämpö siirtyy kuumemm paleiden lämpötilat alkav vää energiaa. Tapahtulämpimästä kappaleespää kohti. Lämpö on siirty nen tapahtuu aina niin, että lämtaan sano ssa, ainee än kappaleeseen. Lämmaa, jossa lämpö siirtyy ta siirtyy lämpöä kylmempä kappaleiden lämpötilat mön johtumiseksi. pöä siirtyy niin kauan, että lämpötilaero on, sitä ovat samat. Mitä suurempi y. Myös ainekerroksen Lämmön johtuminen nopeammin lämpöä siirty miseen. , johtu iaa siirtyy johtumisessa vain energ paksuus vaikuttaa lämmön

3

Lämmön aine ei siirry.

mällä.

alla, kuljettumalla ja säteile

Lämpö voi siirtyä johtum

22

I Lämpö

johtaa Makkarakepin metalli lämmönlämpöä, mutta puu on eriste. t Moninkertaiset lasit estävä vaikka lämmön siirtymisen ulos, ero on lojen mpöti ulkolä ja sisäsuuri.

4

Lämpö siirtyy liedestä kattilaan johtumalla.

22

4 Illustrationer och modeller visualiserar

Alla bilder i boken är nära anknutna till texterna. Då du läser kapitlet, gå noggrant genom alla bilder och bildtexter samt formler och modeller.

Tolkning av bilder, formler och modeller kallas multilitteracitet och är en av de mångsidiga kompetenser som läroplanen betonar.

5 Exemplen beskriver

hur uppgifterna görs

I slutet av kapitlet före uppgifterna finns exempel.

Dessa hjälper dig att förstå hur kunskapen kan tillämpas då du löser uppgifterna.

ät Lämpimät merivirrat näkyv kuvassa punaisina.

II

Jos silmälaseissa on kuperat linssit, silmät näyttävät suuremmilta.

Poikittainen ja pitkittäinen aaltoliike

Käsitteet

Värien aistiminen tapahtuu aivoissa

lemällä Lämpö voi siirtyä sätei in olla, sillä palavisNuotion ääressä on lämm ympäristöön. Lämmön ta puista säteilee lämpöä lämpö siirtyy. Nuotisäteily on kolmas tapa, jolla ilyn havaitsee parhaiten on lähettämän lämpösäte utunut henkilö, sillä lämtummiin vaatteisiin puke aan pintaan. pö imeytyy parhaiten tumm aleet lähettävät lämNuotion tavoin kaikki kapp aa lämpösäteilyn huom pösäteilyä, mutta ihminen ale on riittävän kuuma. vasta, kun sitä lähettävä kapp alta tärkein lämmön Maapallon elämän kann gon pintalämpötila on säteilijä on Aurinko. Aurin tää avaruuteen valtanoin 5 700 °C, joten se lähet uudessa ei ole ainetta, van määrän säteilyä. Avar tyhjiö. Säteily siirtyy siis kuten ilmaa, vaan siellä on

iikkuvan aineen

Väriaistimuksen syntymiseen tarvitaan valoa, joka tulee silmään joko valonlähteestä tai heijastuu pinnasta, jota katsellaan. Värien aistiminen on kyky erottaa silmään tulevan valon eri värit. Valon värien ja painovärien värien muodostuminen ymmärretään eri tavalla.

Esimerkiksi puhelimen näytöllä kuvan värit nähdään näytöstä tulevan valon perusteella. Värit saadaan aikaan kolmella valolla: punaisella (R), vihreällä (G) ja sinisellä (B). Näitä nimitetään valon pääväreiksi. Päävärien avulla saadaan aikaan muut väriaistimukset. Tietokoneiden ja puhelimien näytössä on omat pikselit punaiselle, vihreälle ja siniselle valolle. Värillinen kuva muodostuu näytölle sopivasti valon päävärejä yhdistellen.

valkoinen R

syaani Valon päävärit ovat punainen ( R ), vihreä (G) ja sininen ( B ). Muut värit saadaan päävärejä yhdistämällä. Päävärit yhdessä muodostavat valkoisen valon. Syaani on väriltään turkoosinsininen ja magenta purppuranpunainen. Tästä käytetään nimitystä RGB-järjestelmä.

93 Kallen silmälasien taittovoimakkuus on 2,25 dioptria-yksikköä. Liisan silmälasien taittovoimakkuus on –1,75 dioptria-yksikköä. a) Kumpi on likinäköinen ja kumpi kaukonäköinen? b) Laske linssien polttovälit.

+

9 Valo taittuu aineiden välisessä pinnassa • taittuminen • väri • kokonaisheijastus 10 Linssit suurentavat ja pienentävät • linssi • kovera linssi • kupera linssi • silmälasit

94 Minkä värin näkisit, jos valonlähde lähettää silmiisi a) punaista ja vihreää valoa? b) punaista ja sinistä valoa?

Aaltoliike

emällä myös tyhjiössä.

Lämpö voi siirtyä säteil

a) xxut 6–1 Luv

0

Syvennä tieto jasi aaltoliikk eest

Lähetin lähettää ja vastaanotin aaltoja, ottaa niitä vast aan Matkapuhelim en toimintaa voidaan mallinta veden aaltojen a ja veden pinnalla kelluvan ongenkohon liikkeen mallin avulla.

säteily voidaan saada Kissan lähettämä lämpö alla. näkyväksi lämpökamer

Veteen heitetty kivi on lähetin ja koho vasta anotin.

Kun vedessä kellu van ongenkoh on lähelle heite tään kivi, koho alkaa hetken kulu tta värähdellä.

Värähtely seuraa siitä, että kiven synnyttämät aallo etenevät kohti t kohoa, joka sitte n värähtelee aalto jen tahdissa. Vete en heitetty kivi toimii lähettim nä vesiaallolle. eKoho ottaa vasta an aallot ja alka värähdellä. Koh a o toimii vastaano ttimena. Aalto etenee veden pinn alla.

an Aurinko lähettää valtav määrän lämpösäteilyä.

ad

ioa

a lt o

je n v a sta a n

oti

radioaaltojen lähetin

aallonpituus

aallonpituus

värähdysten suunta

tihentymä

etenemissuunta värähdysten suunta

Kun jousessa etenee poikittainen aaltoliike, jousen eri kohdat värähtelevät kohtisuorassa aaltoliikkeen etenemissuuntaa vastaan. Poikittaisessa aaltoliikkeessä jousen eri kohdat värähtelevät aallon etenemissuunnassa.

Valon suoraviivainen eteneminen

Valon heijastuminen

Valon taittuminen normaali

pinnan normaali

sydänvarjo

tuleva valonsäde

tulokulma

tulokulma ilma

Valo etenee suoraviivaisesti.

Koska valo ei pääse läpinäkymättömän esineen taakse, sinne muodostuu varjo.

taitekulma

Valon kulkusuunta muuttuu, kun valo läpäisee kahden aineen rajapinnan.

Valon kulkusuunnan muutosta kutsutaan valon taittumiseksi.

Heijastuslain mukaan heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma.

Peilit Kovera peili kokoaa yhdensuuntaiset valonsäteet polttopisteeseen.

Kovera peili saa lähellä olevan esineen näyttämään suurennetulta.

heijastunut valonsäde tuleva valonsäde

akseli

Linssit Kupera linssi kokoaa valoa.

Valo taittuu linssin molemmissa pinnoissa ja suuntautuu kohti linssin polttopistettä.

kovera peili

polttopiste

Kupera peili hajottaa yhdensuuntaiset valonsäteet, jolloin valonsäteiden jatkeiden leikkauspisteessä on valepolttopiste. Kuperan peilin avulla suuri alue näkyy pienennettynä.

kupera linssi tuleva valonsäde

Kovera linssi hajottaa valoa.

Valo taittuu linssin molemmissa pinnoissa ja suuntautuu laajalle alueelle.

normaali

linssin akseli

polttopiste polttoväli

heijastunut valonsäde valonsäteiden jatkeet tuleva valonsäde valepolttopiste kupera peili

kovera linssi tuleva valonsäde

taittunut valonsäde

ä

7 Koveran linss in muodostam an kuvan piirtämi nen Koska kovera linss i hajottaa valoa, sillä ei ole polttopistettä. Lins sin läpi kulkenei den valon sätei jatkeet kuitenkin den leikkaavat sama ssa pisteessä. Tätä pistettä kutsutaa n valepolttopisteek si.

Koveran linss in muodostama n kuvan paik ka saadaan vasta avalla menettel yllä kuin kuperan linssin kuvan paik ka. Piirroksesta huomataan, että valekuva on pien empi kuin esine . sohje (1) esine

linssin akseli

valepolttopiste

57

Taittokykyä kuv aa dioptria-luku Linssien taittokyky ä kuvataan diop tria-luvulla. Se saadaan linssin polttovälin kään teislukuna. Diop ria-luvussa polt ttoväli ilmoiteta an metreinä. Esimerkiksi kun poltt oväli on 5 cm, dioptria-luku on 1/0,05 m = 20 d.

Likinäköisen ihm isen dioptria-luku on silmälasien negatiivinen. Lase ja kutsutaankin miinuslaseiksi.

Kaukonäköisen lasien dioptrial on positiivinen uku ja lasit ovat plus lasit.

5

Kuvan piirtämi

ESIMERKKI

Kuvassa on kaks i kuperaa linssiä. a) Kumpi linss i taittaa valoa voim akkaammin? b) Laske linssien taittovoimakku us.

50 cm

(1)

25 cm

linssi A linssi B polttopiste

valepolttopiste

jen lto ään iaa nv altoje a sta a n oti nia n ää

(2)

2. Piirrä seura avaksi keskipisteen kautta valonsäde (2), joka kulkee linssin . Se kulkee suora an linssin läpi.

(1) esine

valekuva valepolttopiste

(2)

3. Valonsätee n (1) jatke ja valonsäde (2) edessä. Tähän kohtaavat linssi pisteeseen muod n ostuu esineen valekuva. kärjen

II Aaltoliike

taittunut valonsäde normaali

linssin akseli

esine

23

54

vesi

taittunut valonsäde

heijastuskulma

heijastava pinta

1. Piirrä ensin esineen kärjestä lähtevä linssin suuntainen valon akselin säde (1). Tämä valonsäde taittu linssissä siten, u että sen jatke (katkoviiva) kulke valepolttopisteen e linssin kautta.

n

harventuma

etenemissuunta

Yhteenveto Luvun nimi

Vastaavalla tava lla puhe etenee puhujasta kuul jalle. Kun puhu it, äänihuulesi ja suusi synnyttäv ääniaaltoja, jotka ät etenevät ilmassa.

Korvan tärykalvo ottaa vastaan ääniaallot ja alka a värähdellä.

Matkapuhelin lähettää soitettaes sa radioaaltoja, jotka lähimpänä olevan tukiasem an antenni vastaanottaa. Tuki asema lähettää vastaanotetut radio aallot matkapuh elinkeskukseen ilma teitse, kaapelia pitkin tai satelliitin välityksellä. Mat kapuhelinkeskuksesta puhelu välitetään vasta avasti edelleen taanottajan lähe vasllä olevaan tukia semaan tai kiint ään puhelinverkko eon.

tin

ät Lämpimät merivirrat näkyv kuvassa punaisina.

6

he

ttumalla ja säteilemällä.

+

lä

lämpöputkissa.

punainen musta

92 a) Kuperan linssin polttoväli on 30 cm. Laske linssin taittovoimakkuus. b) Koveran linssin polttoväli on 50 cm. Laske linssin taittovoimakkuus

mpöä lämmittää länsituulten uva lämpöenergia. Karian lämpimän Golfvirran ä aina Norjan länsiranssa liikkuu valtava määrä nergia siirtyy vedestä sen an. Tuulen mukana kulirran lämpöenergiaa että

höyryä. johtuvat siitä, että vedelökapasiteetti. Vettä käyte ukseen sekä keskuslämmi-

8 Valo heijastuu peileistä • valo • varjo • heijastuminen • kovera peili • kupera peili • tasopeili • polttopiste • kuva • valekuva

M

Y

TEHTÄVIÄ

B

56

vihreä

G

myös tyhjiössä.

Lämmön säteily

7 Värähtelijä tuottaa äänen • ääni • äänen voimakkuus • melu

sininen C

Maalien ja painovärien päävärit ovat keltainen, syaani (turkoosinsininen) ja magenta (purppuranpunainen). Muut värit saadaan näiden yhteisvaikutuksesta.

Kaikkien päävärien yhteisvaikutuksesta syntyy musta.

keltainen

magenta

6 Aalto etenee – aine ei • aaltoliike • pitkittäinen aaltoliike • poikittainen aaltoliike • aallonpituus

Painovärien päävärit ovat keltainen, syaani ja magenta. Muut värit saadaan päävärien yhdistelminä. Painovärit vähentävät valonlähteen lähettämästä valosta eri värejä eli valon eri aallonpituuksia. Pinta imee osan valon aallonpituuksista itseensä ja heijastaa jäljelle jääneet värit silmäämme.

YHTEENVETO

heija stu valon nut säde

Jos silmälaseissa on koverat linssit, silmät näyttävät pienemmiltä.

r

vojasi, saattaa selkäämaasi lämpöenergiaa u viileältä. Lämpö voi n ilman, mukana. ettavat nestemäiset ja tapauksissa lämpö voi n mukana. Esimerkikkkuu auton mukana. een mukana sanotaan Esimerkiksi tuulet ja öenergiaa.

Silmät ilman silmälaseja.

a tulev säde valon

malla

8 Kuva FY_S2_10

polttopiste

Ratkaisu a) Linssi B taitta a valoa voimakka ammin, koska sen poltt oväli pienempi. b) Linssin A poltt oväli on 50 cm = 0,50 m.

Taittovoimakkuus saadaan polttoväl in käänteislukuna , joten sen taitto voimakkuus on (1/0,5) d = 2 d.

Linssin B polt toväli on 25 cm = 0,25 m.

Sen taittovoimakku us on (1/0,25) d = 4 d.

Vastaus a) Linssi B taitta a valoa voimakka ammin. b) Linssien taitto voimakkuudet ovat 2 d ja 4 d.

Kaikissa aalto liikkeissä on lähetin, aalto ja vastaanotin.

Kovera linssi pienentää kuvan .

+ Syvennä tietoja si aaltoliikkees tä

55

6 Uppgifterna stöder lärandet 7 Iavsnittet ”Fördjupa dina 8 Sammandraget underlättar kunskaper” kan du fylla på din repetition I slutet av varje kapitel finns uppgifter kunskap som stöder lärandet. Uppgifterna går I slutet av varje avsnitt finns från lättare mot svårare. Till de första I Fördjupa dina kunskaper en sammanfattning. I det frågorna hittar du lätt svar ur texten. finns sammanställt alla finns det tilläggsuppgifter om För att lösa de senare uppgifterna krävs centrala saker och med hjälp avsnittets tema. I detta avsnitt tillämpning av det du lärt dig om ämnet av det får du en uppfattning fördjupar du ditt kunnande och vissa uppgifter kräver att du söker om vilka saker du ännu bör om intressanta ämnen och lär svaren ur olika informationskällor. öva på. dig ytterligare lite mer.

Där finns också ”Undersök hemma” – uppgifter. Uppgifterna har löpande numrering genom hela boken för att du lättare ska hitta uppgifterna din lärare 5 ber dig göra.

Fysikens värld Du använder dagligen många apparater som du anser självklara att de finns och att de fungerar. För att kunna utveckla dem behöver man kunskap i fysik och teknologi.

Har du funderat på vad man behöver veta för att kunna utveckla till exempel en mobiltelefon med alla dess funktioner.

Nya saker uppfinns och utvecklas Redan i början av 1800-talet tänkte man att man skulle kunna överföra ljud långa sträckor med hjälp av elektricitet och i slutet av 1800-talet uppfanns telefonen.

Till en början överfördes ljud endast mellan två telefoner, men småningom uppfanns telefoncentralen med ett nät av elkablar som kopplade ihop flera telefoner och då kunde ljudet överföras mellan flera telefoner. För utvecklandet av dagens telefoner har det behövts kunskap i bland annat fysik.

Kunskap i fysik är grunden för all teknologiutveckling.

Data överförs snabbt Idag överförs data elektroniskt med smarttelefoner i ett trådlöst nätverk. Data överförs med en vågrörelse som liknar ljusets. Till det trådlösa nätet har också kopplats andra apparater som till exempel bilar, hemelektronik, och fjärravläsbara elmätare.

Den moderna långt automatiserade industrin, sjukhusen med sina avancerade apparater, miljöforskningen och energiproduktionen behöver allt noggrannare mätinstrument och dataöverföringsmetoder. Alla dessa apparaters funktion grundar sig på fysikaliska fenomen.

Forskningsområden inom fysik

6

Forskningsområden inom fysik är fenomen som till exempel rörelse, värme och elektricitet.

Undersökningsobjekt

Kroppar

Fysik är en naturvetenskap Fysik är en empirisk naturvetenskap där man undersöker kroppar och fenomen. Då man talar om kroppar i fysiken menar man föremål, människor, djur eller till och med små partiklar som till exempel en atom. Fysikaliska fenomen är till exempel hjulets rörelse, ljusets reflexion, vattnets strömning, vinden, blixtar, norrsken och den globala uppvärmningen. Genom att utföra mätningar lär man sig om kroppars och fenomens egenskaper. En forskare i fysik, eller en fysiker, gör modeller på basen av mätresultaten. Modellerna förklarar fenomenen och kan användas för att göra prognoser.

Fysiken och de övriga naturvetenskaperna har inverkat på vårt välbefinnande. De har gjorts många olika slags uppfinningar förrän tekniken utvecklades till det den är idag.

Fysik Fysik är en naturvetenskap som empiriskt (experimentellt) undersöker kroppar och fenomen omkring oss.

En fysiker är en person som utför forskningsarbete i fysik.

Frukterna på bilden väger 1,1 kg, det vill säga deras massa är 1,1 kg. I vardagligt tal blandar vi ofta ihop orden tyngd och massa. I naturvetenskapen måste man alltid skilja på begreppen. Tyngden är den kraft med vilken jordens dragningskraft påverkar en kropp, massan är hur mycket kroppen väger i kilogram.

Fenomen

Storheter kan mätas Under dagens lopp mäter man många olika saker: tid, temperatur, volym, massa, sträckor och hastigheter.

Storheter är sådana egenskaper som kan mätas.

Pratsamhet är inte en storhet eftersom den inte kan mätas entydigt, men en persons uppmätta längd, massa och temperatur är storheter. Mätresultatet anges med en enhet: längden i centimeter, massan i kilogram och kroppstemperaturen i grader Celsius.

När skolsköterskan mäter din längd gör hon det i centimeter. Centimeter är en längdenhet.

Skolsköterskan tar alltså reda på hur många gånger enheten, cm, ingår i din längd. Om din längd är 164 cm ingår det en centimeter 164 gånger i din längd. Talet 164 är mätetalet och centimeter är en enhet.

Längd: Storhet

164 cm mätetal

enhet

Storhet Kroppar och fenomen har egenskaper som entydigt kan mätas. De mätbara egenskaperna är storheter.

I tabellen finns några storheter och deras grunden­heter.

I Finland används vanligtvis celsiusgrader °C som enhet för temperaturen i stället för Kelvin.

Storhet

Enhet

Enhetens förkortning

längd massa tid temperatur

meter kilogram sekund kelvin

m kg s K Fysikens värld

7

Densitet kan mätas För att uttrycka ett ämnets densitet (= täthet) behövs två storheter: massa och volym. Båda storheterna är mätbara och densiteten kan beräknas med hjälp av dessa värden.

En liter, eller en kubikdecimeter (1,0 dm3), vatten väger ett kilogram (1,0 kg). Vattnets densitet får man genom att dividera massan med volymen, då blir vattnets densitet 1,0 kg/dm3.

Densitet är en egenskap hos ett ämne Järn är ett betydligt tätare ämne än vatten. Järnets densitet är ungefär 8,0 kg/dm3, det betyder att en kubikdecimeter (1,0dm3) av ämnet väger åtta kilogram (8,0 kg). Då man jämför vattnets och järnets densitet med varandra märker man att järn är åtta gånger tätare än vatten.

Mängden järn och vatten på bilderna har ungefär samma massa.

Densitet Densiteten är ett ämnes egenskap som beskriver förhållandet mellan ämnet massa och volym.

1 dm3 järn

8 l vatten

En kettlebell tillverkad av järn har oförändrad densitet fastän massan och volymen ökar.

massa kg kg massa massa 8,08,0 kg8,0

massa 16,0 kg kg massa 16,0 massa 16,0 kg

massa 24,0 kg kg massa 24,0 massa 24,0 kg

3 3 3 volym dm volym dm volym 1,01,0 dm1,0

3 3 3 volym dm volym 2,0 dm volym 2,02,0 dm

3 3 3 volym dm volym 3,0 dm volym 3,03,0 dm

kg kg 8,08,0 kg 8,0 1,0 dm

16,0 kg kg 24,0 kg kg 16,0 kg16,0 24,0 kg24,0 3 3 3 3 3 3 = 38,0 kg/dm tiheys = 38,0 kg/dm =kg/dm 8,0 kg/dm tiheys 3 = 38,0 =kg/dm 8,0 kg/dm = 38,0 tiheys 32,0 2,0 dm 3,0 dm dm 2,0 dm dm 3,0 dm 3,0 16,0 kg 24,0 kg 3 3

3 3 3 = 8,0 kg/dm =kg/dm 8,0 kg/dm densitet = 8,0 tiheys densitet tiheys densitet tiheys 1,0 31,0 dm3dm3

densitet 8,0 kg = 8,0 kg/dm3 1,0 dm3

densitet

2,0

dm3

= 8,0 kg/dm

densitet

3,0

dm3

= 8,0 kg/dm

Yrken där fysikkunskap behövs Forskare

8

arkitekt

byggnadsarbetare

bilchaufför

byggplatsingenjör

EXEMPEL Exempel 1 Mätresultatet blev 21 °C. a) Vilken storhet mättes? b) Vad är mätetalet? c) Vilken enhet har mätresultatet?

Svar a) Den uppmätta storheten är temperatur. b) Mätetalet är 21. c) Mätresultatets enhet är grader Celsius °C.

Exempel 2 En bil kör med hastigheten 80 km/h. Bilen hinner alltså 80 km på 1 timme. a) Med vilka två storheter uttrycker man bilens hastighet? b) Vilken enhet har mätresultatet? c) Vad kan man beräkna då man känner till bilens hastighet?

Svar a) Hastigheten uttrycks som förhållandet mellan sträcka och tid. b) Mätresultatets enhet är km/h. c) Då man känner till bilens hastighet och den tid bilen kör, kan man beräkna hur lång sträcka bilen hinner på den angivna tiden.

HEMUPPGIFTER 1 Räkna upp fem fenomen inom fysiken som du kan iaktta under dagens lopp.

2 Vad undersöker en fysiker?

3 Nämn en uppfinning som grundar sig på fysik och som har förändrat vår vardag betydligt.

4 a) Definiera begreppet storhet. b) Nämn tre storheter.

radiolog

elektronikmontör

bilmekaniker

5 a) Mätresultatet blev 54 kg.

1) Vilken storhet mättes?

2) Vad är mätetalet?

3) Vilken enhet har mätresultatet? b) Mätresultatet blev 5 m/s.

1) Vilken storhet mättes?

2) Vad är mätetalet?

3) Vilken enhet har mätresultatet?

6 Välj en informationskälla och ordna följande ämnen i ordning enligt densitet: koppar, järn, guld, kvicksilver, vatten, etanol och aluminium.

pilot

musiker

Luvun nimi

9

1

Värme utvidgar

Du kan känna efter med tårna om badvattnet är kallt.

Du kan ändå inte bestämma exakt hur kallt vattnet är utan du behöver en termometer som du kan mäta temperaturen med.

Hur fungerar en termometer?

Ämnen utvidgas vid uppvärmning En folieballong krymper i kall uteluft. Då ballongen tas in i varmare luft utvidgas gasen i ballongen. Värmeutvidgning är typiskt för alla material och denna egenskap utnyttjas till exempel i termometrar.

Vätsketermometerns funktion grundar sig på att vätskan utvidgas Vätsketermometern är konstruerad så att värmeutvidgningen syns. I nedre delen av vätsketermometerns rör finns en liten behållare som innehåller en färgad vätska. Då behållaren värms stiger vätskeytan i röret. Termometern anger mätresultatet i grader Celsius °C. tunt rör vätskans övre kant

Vätskeytan stiger då vätske­ behållaren värms.

färgad vätska vätskebehållare

Gasen inne i folieballongen utvidgas då ballongen tas in från den kalla uteluften.

Olika typer av termometrar: 1

Bastutermometer

2

Inne- och utetermometer

3

Febertermometer

10

Värme

1

Temperatur: Temperaturen betecknas t och enheten är grader Celsius °C. 2

3

Fixpunkter för temperaturskalan Temperaturskalan skapas så att man väljer två fixpunkter vars temperaturer man känner till. Celsiusskalans fixpunkter, 0 °C och 100 °C, grundar sig på vattnets egenskaper. Vattnet fryser vid 0 °C och kokar vid 100 °C. Strängt taget påverkas smältoch kokpunkten av lufttrycket. Då lufttrycket minskar sjunker kokpunkten.

°C

Smältpunkten för is är 0 °C.

°C

Längdutvidgningskoefficienten är en egenskap hos ett fast ämne Ämnen utvidgas då de värms. Det kallas värmeutvidgning. När en metallstav upphettas ökar stavens längd. Då staven svalnar blir den kortare.

Längdförändringen är större ju längre staven är eller ju mera temperaturen stiger. Stavar av olika material utvidgas olika mycket.

Längdutvidgningskoefficienten är en konstant som anger hur mycket ett fast ämne utvidgas då en stav av det ämnet upphettas. Längdutvidgningskoefficienten för olika ämnen finns i tabellsamlingar och på internet.

Längdutvidgningskoefficienten för aluminium är 0,0000232 1/°C. En aluminiumstav på en meter ökar med 0,0000232 = 0,0232 mm när stavens temperatur stiger 1 °C. En två meter lång stav blir 0,0464 mm längre, det vill säga längd ökningen är dubbelt så stor.

Stavens längdutvidgning Värmeutvidgningen i en stav beror på stavens längd, stavens material och på temperaturförändringen.

Kokpunkten för vatten är 100 °C. Is smälter vid 0°C och vatten kokar vid 100 °C.

Fixpunkterna i celsiusskalan Celsiusskalans fixpunkter är isens smältpunkt 0 °C och vattnets kokpunkt 100 °C

Den lägsta temperaturen är den absoluta nollpunkten. Absolut betyder att det inte finns en lägre temperatur. Den engelska fysikern Lord Kelvin föreslog år 1848 att man skulle börja använda den absoluta temperaturskalan, den så kallade kelvinskalan. Temperaturens officiella enhet är kelvin (K) och beteckning T. Nollpunkten på kelvinskalan är den absoluta nollpunkten, alltså 0 kelvin. Förkortningen för kelvin är K. Den absoluta nollpunkten är –273 °C på celsiusskalan.

Längdutvidgningskoefficienter för några fasta ämnen

Grundämne

Längdutvidgningskoefficient (1/°C)

järn guld silver koppar aluminium

0,0000117 0,0000141 0,0000192 0,0000168 0,0000232

Också vätskor utvidgas när de blir varmare. Vätskans volymutvidgningskoefficient är en kännetecknande egenskap hos en vätska och den anger hur mycket en vätska utvidgas då dess temperatur stiger.

1 Värme utvidgar

11

Vatten uppför sig olika än andra vätskor vid temperaturförändring

Vår

Vid uppvärmning av nollgradigt vatten minskar volymen ända till 4 °C och börjar först därefter utvidgas. Vid 4 °C är vattnet som tyngst. Den här egenskapen har stor betydelse i naturen. På hösten börjar sjöarnas vatten kylas på ytan och vatten med lägre temperatur sjunker neråt. Det tyngsta, alltså det fyragradiga vattnet sjunker ner till bottnen och det nollgradiga vattnet stiger till ytan.

Därför fryser sjöarna på ytan och livet i vattnet kan fortsätta över vintern.

Höst

I sjöar är vattnet alltid 4 °C på bottnen.

EXEMPEL Exempel 1 a) Omvandla acetonets smältpunkt på –94 °C till kelvin. b) Omvandla vattnets kokpunkt på 373 K till grader Celsius.

Lösning a) Grader Celsius omvandlas till kelvin genom att addera 273 till temperaturen i Celsius – 94 °C = (–94 + 273) K = 179 K. b) Kelvin omvandlas till grader Celsius genom att subtrahera 273 från temperaturen i kelvin 373 K = (373 – 273) °C = 100 °C.

Exempel 2 Vilkendera av de två stavarna utvidgas mest?

Motivera. temperaturförändring 50 °C a) Al

Lösning a) Två stavar av samma material värms lika mycket. Längdutvidgningen beror på stavens längd. Ju längre staven är desto mer utvidgas den. Den nedre staven utvidgas alltså mer än den övre staven. b) Två lika långa stavar av samma material värms olika mycket. Ju mer temperaturen stiger desto mer utvidgas staven. Den nedre staven utvidgas alltså mer än den övre staven. c) Två lika långa stavar av olika material värms lika mycket. Längdutvidgningskoefficienten för aluminium är 0,0000232 1/°C och för koppar 0,0000168 1/°C. Eftersom längdutvidgningskoefficienten för aluminium är större än för koppar kommer aluminiumstaven att utvidgas mest.

Al

temperaturförändring 50 °C

b) Cu

temperaturförändring 50 °C

Cu

temperaturförändring 80 °C

Cu

temperaturförändring 50 °C

Al

temperaturförändring 50 °C

c)

12

Värme

HEMUPPGIFTER 7 Vid vilken temperatur a) kokar b) fryser c) smälter d) stelnar vattnet? e) Vilken är människans normala kroppstemperatur?

8 a) Vilken är den lägsta temperatur du vistats i? Var? b) Vilken är den högsta temperatur du vistats i? Var? c) Hur hög och hur låg temperatur kan man åstadkomma hemma?

Var? 9 a) Hur skiljer sig vattnets värmeutvidgning från andra ämnen? b) Vilken betydelse har vattnets värmeutvidgning för naturen? c) Hurdan skada kan vattnets värmeutvidgning föra med sig på till exempel sommarstugan?

10 a) Vad är absoluta nollpunkten uttryckt i grader Celsius? b) Ange järnets smältpunkt 1535 °C i kelvin. c) Ange kvävets kokpunkt 77 K i grader Celsius.

2

11 Är följande påståenden sanna eller falska?

Motivera. a) Koppar har en större längdutvidgningskoefficient än aluminium. b) Ju längre stav man har desto mer töjer den vid uppvärmning. c) På vintern är vattnet på sjöbottnen varmare än på ytan under isen. d) Vätsketermometerns funktion grundar sig på glasets värmeutvidgning.

12 Av ett 1 meter långt kopparrör tillverkades ett varmvattenrör i en korridor där temperaturen var 20 °C. Hur mycket längre blev röret då temperaturen steg a) 1 °C, b) 100 °C? 13 På vilken forskningsfråga söker man svar med följande experiment? a) Man tar fyra likadana, men olika långa, aluminiumstavar ur en frys. Man mäter längden på stavarna genast och i slutet av lektionen med ett mycket noggrant mätinstrument. b) En 1 meter lång kopparstav placeras på bastulaven och bastuugnen knäpps på.

Stavens temperatur och längd mäts med 10 minuters mellanrum.

Brons värmeutvidgning tas i beaktande med hjälp av rörelsefogar och hjul som finns under bron.

1 Värme utvidgar

13

2

Värmeenergi är en energiform

För att få lämplig temperatur på tvättvattnet, i bastun på landet, tar du kallt sjövatten från hinken och kokande hett vatten från bastugrytan. Du märker då att det behövs mindre mängd hett än kallt vatten.

Vilka faktorer beror vattenblandningens temperatur på?

Vid energiöverföring stiger föremålets temperatur När ved brinner i en brasa frigörs värme- och ljusenergi. Placerar man en vattenkastrull över brasan värms vattnet då energi överförs till den. I samband med naturfenomen omvandlas energi från en energiform till en annan eller också flyttas energi från ett ställe till ett annat.

Värmeenergi Värmeenergi är en energiform. Då temperaturen i föremålet stiger sker en energiöverföring till föremålet.

Vatten lagrar stora mängder värmeenergi Människan kan leva i en omgivning med mycket hög eller mycket låg temperatur eftersom vattnet som finns i människan lagrar och avger energi långsamt. Människans kroppstemperatur varierar bara lite fastän temperaturen i omgivningen varierar kraftigt.

14

Värme

Beteckningen för energi är E och enheten är joule (J). En joule är en mycket liten energimängd och därför används ofta enheten kilojoule (kJ), alltså 1000 joule. Till exempel behöver en 14-årig skolelev cirka 8 000 – 12 000 kJ energi per dygn för rörelse och övriga livsfunktioner så som andning och matsmältning. I en chokladstång finns lagrat cirka 400 kJ kemisk energi.

Energiformer Energiformer är till exempel ljus- och värmeenergi.

I glasen finns lika mycket 20-gradigt vatten och 80-gradigt vatten.

När man blandar lika stora mängder 20-gradigt och 80-gradigt vatten får man 50-gradigt vatten.

Värmeenergi bevaras Man kan undersöka hur värmeenergin bevaras genom att blanda vatten. Två kärl innehåller lika mycket vatten. Vattnets temperatur i det ena kärlet är 20 °C och i det andra 80 °C. När man tömmer vattnet ur båda kärlen i ett gemensamt kärl får man vatten med temperaturen 50 °C. Då man blandar vattnet ändrar temperaturen hos båda lika mycket eftersom det fanns lika mycket kallt och varmt vatten. Temperaturen hos det ena vattnet stiger med 30 °C och sjunker lika mycket hos det andra.

Fenomenet förklaras med att energi överförs från det varma vattnet till det kalla vattnet. Den överförda energin kallas värme. Då vattnets temperatur stiger, tar det emot energi, eller med andra ord det lagras energi. Då vattnets temperatur sjunker förs energi bort eller det frigörs energi.

Den specifika värmekapaciteten är en egenskap hos ett ämne Då man värmer vatten i en vattenkokare överförs det energi till vattnet. Ju mer energi som överförs desto mer stiger vattnets temperatur. Ju större mängd vatten man har desto större mängd energi kan lagras i vattnet. Olika ämnen lagrar energi på olika sätt då de värms. Förmågan hos olika ämnen att lagra energi beskrivs med storheten specifik värmekapacitet. Vattnets specifika värmekapacitet är 4,19 kJ/(kg°C). Det betyder att man med 4,19 kJ energi kan höja temperaturen på 1 kg vatten med 1 °C. Vatten har en hög specifik värmekapacitet. Det lagrar en stor mängd energi och därför tar det lång tid att värma. På motsvarande sätt avger vattnet energi under en lång tid och kallnar alltså långsamt.

Lagen om värmeenergins bevarande

Lagring av energi som överförs

När två föremål med olika temperatur kommer i kontakt med varandra tar det kallare föremålet emot lika mycket energi som det varmare avger.

När en kropp eller vätska värms påverkas den lagrade energimängden av kroppens massa, temperaturökning och material.

Den överförda energin kallas värme.

Den specifika värmekapaciteten beskriver olika materials förmåga att lagra energi.

Stenarna i en bastuugn lagrar värmeenergi Till bastuugnen väljer man sådana stenar som lagrar så mycket energi som möjligt.

15

bly silver koppar järn tegel glas aluminium täljsten matolja is etanol vatten

Vattnet har en betydligt högre specifik värmekapacitet än övriga vätskor eller fasta ämnen.

0,13 0,24 0,39 0,45 0,80 0,84 0,90 0,98 2,00 2,09 2,43

specifik värmekapacitet

4,19 0

1

2

3

4

5

kJ kg°C

EXEMPEL Exempel 1 I ett laboratorium undersöker man hur bastustenar, vars massa är 0,20 kg och 0,40 kg, värms.

Stenarna värmdes från rumstemperatur till 100 °C. Hur mycket mera energi går det åt att värma den tyngre stenen?

Lösning Då ett föremål värms beror den lagrade energimängden på kroppens massa, temperaturförändring och föremålets material. Stenarna är av samma material och temperaturförändringen är lika stor. Ju större massa stenen har desto mer energi går det åt. Därför behövs den dubbla mängden energi för att värma en sten vars massa är 0,40 kg jämfört med en sten vars massa är 0,20 kg.

Exempel 2 I dekanterglasen finns 250 g vatten och 250 g matolja. Bägge kärlen värms från 20 °C till 100 °C. Vilket dekanterglas kräver mera energi vid uppvärmning?

Lösning Temperaturförändringen är lika stor och vätskornas massa är lika stor. Energimängden som går åt till uppvärmningen beror på ämnenas specifika värmekapacitet.

Enligt tabellen är vattnets specifika värmekapacitet 4,19 kJ / (kg°C) och matoljans 2,00 kJ / (kg°C). Vattnets specifika värmekapacitet är drygt dubbelt högre än matoljans och därför är energiåtgången dubbelt större vid uppvärmning av vatten jämfört med matolja.

25 g vettä

250 g vatten 250 g 250 g matolja ruokaöljyä

250 g vettä

16

Värme

25 g etanoli

Ett föremål kyls och värms Man förklarar hur en kropp värms och kyls med hjälp av energiöverföring. Korven värms då energi överförs till den. Korvens värmeenergi ökar. Korven svalnar då den avger energi. Korvens värmeenergi minskar.

Vid uppvärmning överförs energi till korven.

Korvens värmeenergi ökar vid uppvärmning.

Korven avger energi då den svalnar.

HEMUPPGIFTER 14 Räkna upp tre energiformer.

15 Vilken energiform omvandlas till värme­ energi a) när en brasa värmer ett rum b) när ryggen blir varm på en badstrand?

16 a) En halv liter 30-gradigt vatten blandas med en halv liter 70-gradigt vatten. Vilken är vattnets sluttemperatur? b) Två liter 40-gradigt vatten blandas med två liter 80-gradigt vatten. Vilken är vattnets sluttemperatur?

17 Sök situationer på bilden där någon energiform övergår till värmeenergi.

Observera att det finns snabba och långsamma processer.

2

18 Till vilken forskningsfråga söker man svar med följande experiment? En ljusstake av silver, vars massa är 350 g, sänks ned i en bägare som innehåller kokande vatten. Efter fem minuter flyttas ljusstaken till ett kärl av polystyren (styrox) som innehåller 350 g 20-gradigt vatten. Efter 5 minuter mäter man vattnets temperatur.

19 På bordet står två dekanterglas. I det ena dekanterglaset finns 500 g vatten med temperaturen 20,0 °C, i det andra 500 g av en annan vätska med temperaturen 80,0 °C. Vattnet och vätskan hälls i styrox-kärlet. Blandningens sluttemperatur blir 32,0 °C. Vilken slutsats kan man dra av försöket?

20 Förklara följande fenomen. a) Vattnet i en kastrull kokar. Man lägger fem potatisar i kastrullen och vattnet slutar koka. b) På våren är vattnets temperatur vid badstranden 8 °C, fastän luftens temperatur är 20 °C. c) En keramisk bastusten värms snabbare än en traditionell bastusten.

2 Värmeenergi är en energiform

17

3

Värmeenergi lagras eller frigörs då aggregationstillståndet ändrar

En höstmorgon kan det se ut som om lövträden eller gräsmattan är täckta med ett tunt lager av snö fastän det inte har snöat.

Varifrån kommer ”snön” på löven?

Sulaminen

Sublimoituminen

Energiaa varastoituu Höyr ystyminen

Ett ämne har tre aggregationstillstånd gas På vintern bildas det is på dammen då vattnet fryser. Is är en fast form av vatten. På våren värmer solen isen, som smälter till vatten igen. På sommaren avdunstar vatten från dammen och dess yta sjunker. Det avdunstade vattnet är vattenånTiivistyminen J ä h m e tt y m i n e n ga. Vattnets aggregationstillstånd kallas is, vatten Energiaa vapautuu inen Sublimoitum och vattenånga. förångning Kondensation I luften finns alltid vattenånga. Om det finns Härmistyminen Energiaa varastoituu mycket vattenånga kan den kondensera till vattenm i Sula nen Höyr ystyminen droppar. Till exempel kan vattenånga i luften konvätska densera på ett kallt dricksglas till små vattendropsublimering sublimering par. En kall höstnatt kan vattenånga sublimera till snö. På våren då solen skiner sublimerar snön till energi energi lagras frigörs vattenånga.

Alla ämnen har tre aggregationstillstånd. Vanligtvis förekommer ämnena i vår vardag i ett visst Tiivistyminen J ä h m e tt y m i n e n aggregationstillstånd. Till exempel är järn vanligtEnergiaa vapautuu Sublimoituminen vis i fast form, luftens syre i gasform och vatten i smältning stelning Härmistyminen form av vätska.

Energiaa varastoituu Sulaminen

Aggregationstillstånd Ämnena har tre aggregationstillstånd (faser): Fast form, vätska och gas.

18

Vid förändring av aggregationstillstånden lagras energi (röd pil) och frigörs energi (blå pil).

Höyr y

fast

Värme

J ä h m e tt y m i n e n

Tiivis

Energiaa vapautuu Härmistyminen

Vattenångan i luften kondenserar till små vattendroppar på ett kallt dricksglas.

På våren sublimerar snön till vattenånga i solskenet.

Vid förångning lagras energi i ämnet Då vattnet i en kastrull avdunstar ändras dess aggregationstillstånd från vätska till gas, det blir vattenånga. Avdunstningen ökar om kastrullen värms. Då vattnets temperatur är 100 °C bildas bubblor av vattenånga. Vattnet har övergått i gasform. Vattnet kokar. Avdunstning och kokning är förångning. Vid förångning blir vätskan till gas.

Så länge vattnet kokar hålls temperaturen konstant, det vill säga 100 °C. Denna temperatur är vattnets kokpunkt. Energin som åtgår lagras i det förångade ämnet.

Förångning Då en vätska förångas blir den till gas.

Förångning sker vid kokning och avdunstning.

Kokning sker vid ämnets kokpunkt.

Avdunstning sker från vätskeytan även vid temperaturer under kokpunkten.

Det specifika ångbildningsvärmet anger hur mycket energi som behövs för att förånga ett kilogram av en vätska. Om man vill förånga 1 kg vatten behövs det 2260 kJ energi. Vattnets specifika ångbildningsvärme är stort, 2260 kJ/kg. Människans dagliga energibehov är endast 10 000 kJ. Den energi som behövs för att avdunsta vattnet ur tvätt som hänger på tork tas från omgivningen. Därför blir det svalare i lägenheten om man torkar tvätt inomhus.

På träden bildas frost då vattenångan direkt blir till snö.

Vid kondensation frigörs energi till omgivningen Då man placerar locket på en kastrull med vatten bildas små vattendroppar på undersidan av locket.

Vattenångan kondenserar till vatten. Vid kondensering frigörs energi.

Kondensation Då gas kondenserar bildas vatten.

Kondensation kan också ske vid lägre temperaturer än vid ämnets kokpunkt.

Vatten omvandlas till vattenånga och tillbaka till vatten i alla temperaturer då vattnet är i flytande form. Efter att duschat känns det kallt och man fryser. Det beror på att den energi som behövs för att vattnet på kroppen skall avdunsta tas från kroppen. Kroppen avger energi och hudens temperatur sjunker.

Vattnet kokar i kastrullen och vattenångan kondenserar på locket.

3 Värmeenergi lagras eller frigörs då aggregationstillståndet ändrar

19

Det specifika smältvärmet anger mängden energi som går åt vid smältning Då snö eller is smälter och aggregationstillståndet förändras, hålls temperaturen hela tiden oförändrad. Denna temperatur, 0 °C, är vattnets smältpunkt.

Den energimängd som behövs för att smälta ett ämne lagras i ämnet. Den omvända händelsen, stelning, sker också vid smältpunkten. Vid stelning frigörs energi till omgivningen.

Den mängd energi som behövs för att smälta en fast kropp beror på kroppens massa och det material kroppen är gjord av. moln i luften är vatten i form av vattenånga eller små vattendroppar sublimering från snö och is

Smältning och stelning Smältning och stelning sker vid ämnets smältpunkt.

Ett ämnes smältvärme anger hur många kilojoule energi som behövs för att smälta ett kilogram av ämnet. Isens smältvärme är 333 kJ/kg. Det betyder att det behövs 333 kJ energi för att smälta ett kilogram is.

kondensation

regn

snöfall snö vatten i form av snö och is regn och smältvatten rinner ut i floder, avdunstning sjöar och hav

avdunstning ytvattnets avrinning

sjö flod källa

vatten i hav

grundvatten

Vattnets kretslopp. Vattenångan i luften härstammar från vatten som avdunstat från hav, sjöar och floder samt sublimerat från glaciärer och snö. Moln och dimma uppkommer då vattenångan kondenserar till vattendroppar.

När vattendropparna blir tillräckligt stora faller de till marken som regn, snö eller hagel. Då regnet når marken transporteras det som ytvatten med floderna till sjöar och hav eller filtreras genom jordlagren till grundvatten. Innan vattnet avdunstar kan det lagras till exempel i sjöar, hav, glaciärer, som snötäcke och som grundvatten.

EXEMPEL a) Hur mycket energi behövs för att smälta 2,0 kg is? b) Hur mycket energi frigörs då 2,0 kg vatten fryser till is?

Förklaring: a) I tabellen, i slutet av boken, kan man se att isens smältvärme är 333 kJ/kg. Det innebär att det behövs 333 kJ energi för att smälta en

20

Värme

isbit vars massa är 1 kg. På motsvarande sätt behövs det för en 2,0 kg:s isbit 666 kJ energi, alltså cirka 700 kJ. b) Då 2,0 kg vatten fryser till is frigörs lika mycket energi som det lagrades vid smältning. Det frigörs med andra ord 700 kJ.

HEMUPPGIFTER 21 Vilken förändring i aggregationstillstånd är det fråga om? a) is omvandlas till vatten b) vattenånga omvandlas till vatten c) is omvandlas till vattenånga 22 Beskriv två situationer i naturen då det sker en förändring i vattnets aggregationstillstånd.

23 Vilken förändring i aggregationstillstånd sker i följande situationer? Avgör också om det binds eller frigörs energi? a) Det är sommar och man virar en våt handduk runt läskedrycksflaskan och drycken kyls. b) Kroppstemperaturen, hos en bastubadande person, ändras inte i en het bastu. c) Ett föremål som varit ute i kyla blir fuktigt när man tar in det i värmen.

3

e) Vad händer med plastbiten i punkt G? f) Hur mycket energi går det åt att smälta plastbiten?

25 a) Hur mycket energi behövs för att smälta en iskub som väger 0,5 kg och 1,0 kg? b) Hur mycket värmeenergi måste överföras från frysen till ett rum för att man ska få iskuber av 0,5 kg 0-gradigt vatten?

26 Till vilken forskningsfråga söker man svar med följande experiment? I ett dekanterglas som innehåller 550 g vatten med temperaturen 20 °C läggs en isbit vars temperatur är 0 °C och massa 150 g. Då isbiten har smält mäter man vattnets temperatur.

27 Förklara följande fenomen. a) En vintermorgon är bilens vindruta isig trots att det inte har regnat på natten. b) Tvätten torkar i köldgrader utomhus.

24 I ett laboratorium undersöker man egenskaper c) Vid köldgrader syns utandningsluften som na hos en plastbit. Plastbiten är i fast form vid vit. temperaturen –32 °C. Grafen visar plastbitens temperatur när den värms kontinuerligt (utan 28 Undersök hemma. Diskutera med dina föravbrott) på samma sätt. äldrar innan du gör experimentet. Fyll en a) I vilket aggregationstillstånd är plastbiten plastmugg till hälften med vatten och markei punkt B? ra vätskans höjd på muggens utsida. Placera b) I vilket aggregationstillstånd är plastbiten muggen på ett sådant ställe där den inte stjäli punkt F? per, till exempel på bastugolvet. Iaktta väts c) I vilket aggregationstillstånd är plastbiten keytan med några dagars mellanrum. i punkt E? Vad händer med ytan? d) Vad händer med plastbiten i punkt C? °C

kroppens (plastbitens) temperatur G

436 400

H

F 200

–32

D

C

79

E energimängd som överförs till kroppen (plastbiten)

B

0 A

52

200

400

600 630

800

1000 950

1200

1400

1600

1800

kJ

3 Värmeenergi lagras eller frigörs då aggregationstillståndet ändrar

21