4.1 Het molecuulmodel

Je stopt één vinger in een glas met koud water en één vinger in een glas met warm water. Stop je daarna beide vingers in het glas met water van 20 °C, dan voel je met de ene vinger koud water en met de andere warm water. Wat is koud en warm en wat heeft dat te maken met temperatuur?

Figuur 4.1

Chemische en fysische eigenschappen

Start

Maak de startvragen Een sportwagen is samengesteld uit materialen waarover goed is nagedacht. De leren bekleding is nauwelijks brandbaar. De basis van een auto bestaat uit een stalen constructie. Deze voorkomt dat de auto in elkaar schrompelt bij een botsing. De lak beschermt tegen roesten. Bij de keuze van al deze materialen kijkt de ontwerper naar de eigenschappen van een materiaal. Bij een auto zijn dat chemische en fysische eigenschappen.

Chemische eigenschappen hangen samen met processen waarbij nieuwe stoffen ontstaan. Denk hierbij aan verbranden, roesten, reacties met zuren en basen. Ook de giftigheid van een stof is een chemische eigenschap. Fysische eigenschappen gaan over processen waarbij materialen wel veranderen, maar geen nieuwe stoffen ontstaan. Denk aan smelten van ijs. IJs en water bestaan namelijk uit dezelfde moleculen. De thermische en mechanische eigenschappen die in dit hoofdstuk aan bod komen, zijn fysische eigenschappen.

Temperatuur en warmte

Op een warme dag vul je een glas met water uit de kraan. Het water is lauw, rond de 20 °C. Uit het vriesvak van de koelkast haal je ijsblokjes van −18 °C, die je in het glas met water doet. Het water koelt hierdoor af tot 0 °C, terwijl de ijsblokjes tot dezelfde temperatuur opwarmen. Het water en de ijsblokjes wisselen energie uit. Die uitgewisselde energie noem je warmte. Het symbool van warmte is Q met als eenheid J (joule).

Je kunt voorspellen hoe warmte zich verplaatst door de temperatuur van het water en het ijs met elkaar te vergelijken. Het water verliest warmte, terwijl het ijs warmte opneemt. Warmte verplaatst zich spontaan van plaatsen met een hoge temperatuur naar plaatsen met een lage temperatuur. Het is wel mogelijk om warmte van lage temperatuur naar hoge temperatuur te verplaatsen, maar daarvoor is een apparaat nodig, zoals een koelkast.

Figuur 4.2

Als je zegt: ‘Het is warm’, bedoel je dat de temperatuur hoog is. Maar je zintuigen kunnen de temperatuur niet nauwkeurig waarnemen. In figuur 4.2 verschilt de temperatuur voor de vingers. Stop je de koude vinger in het glas met lauw water, dan stroomt energie van het water naar de vinger. Hierdoor voelt het lauwe water warm aan. Maar doe je hetzelfde met de warme vinger, dan voelt het lauwe water koud.

Molecuulmodel

IJs en water zijn verschillende verschijningsvormen van dezelfde stof. Natuurkundigen verklaren de eigenschappen van stoffen met het molecuulmodel. Het molecuulmodel bestaat uit een aantal ideeën: ▪ Stoffen bestaan uit kleine deeltjes, de moleculen. ▪ Tussen de moleculen zit ruimte. ▪ In een stof bewegen de moleculen voortdurend. ▪ Moleculen trekken elkaar aan.

Om stoffen te verwarmen moet je energie toevoeren. Daardoor neemt de energie in de stof toe. Je kunt deze energie verdelen in twee soorten. ▪ De bewegende moleculen hebben bewegingsenergie of kinetische energie.

Hoe groter de snelheid van een molecuul, des te groter is de kinetische energie van het molecuul. De gemiddelde kinetische energie van de moleculen van een stof is een maat voor de temperatuur van de stof. ▪ De meeste stoffen zetten uit als je ze verwarmt. Het kost dus energie om de afstand tussen de moleculen te vergroten. Deze energie heet potentiële energie.

De som van de kinetische energie en de potentiële energie noem je de inwendige energie van een stof. Als je een stof verwarmt gaat een deel van de toegevoerde energie naar verhoging van de gemiddelde kinetische energie. De temperatuur van de stof neemt daardoor toe. Het andere deel gaat naar de potentiële energie. Het volume van de stof neemt daardoor toe.

Fasen van een stof

Een stof kan voorkomen in drie fasen: de vaste fase, de vloeibare fase en de gasvormige fase. Bij water is ijs de vaste fase, water de vloeibare fase en waterdamp de gasvormige fase.

In de vaste fase van een stof zitten de moleculen dicht op elkaar. De ruimte om te bewegen is klein, waardoor de moleculen min of meer op hun plaats blijven. Omdat de moleculen dicht bij elkaar zitten zijn de aantrekkende krachten erg groot. Door deze grote krachten behoudt de stof een eigen vorm. In figuur 4.3a zie je hoe je je de verdeling en de beweging van de moleculen in een vaste stof kunt voorstellen.

Figuur 4.3

Als je de stof verwarmt, neemt de beweging van de moleculen toe. Daarbij duwen ze elkaar weg, zodat er meer ruimte ontstaat. De stof zet uit. Als er zoveel ruimte ontstaat dat de moleculen elkaar kunnen passeren, zijn de moleculen niet meer aan een vaste plaats gebonden. De stof is nu in de vloeibare fase. Een vloeistof heeft geen eigen vorm. Door de grotere afstand tussen de moleculen oefenen ze kleinere krachten op elkaar uit dan in de vaste fase. Toch blijft een vloeistof nog wel bij elkaar. Een druppel water blijft bijvoorbeeld als één geheel op een tafelblad liggen. In figuur 4.3b zie je hoe je je de beweging van moleculen in de vloeibare fase kunt voorstellen.

Als de moleculen nog sneller gaan bewegen, wordt de gemiddelde afstand tussen de moleculen nog groter. De aantrekkende krachten worden dan te klein om de stof bij elkaar te houden. De stof is dan in de gasvormige fase. De moleculen hebben een grote bewegingsvrijheid. Het gas zal zich daardoor over de beschikbare ruimte verdelen. Als je bijvoorbeeld in de keuken een appeltaart aan het bakken bent, ruik je de geur van appeltaart even later in de hele keuken. In figuur 4.3c zie je hoe je je de verdeling en beweging van moleculen in de gasvormige fase voor kunt stellen.

Faseovergangen

Of een stof vast, vloeibaar of gasvormig is, hangt onder andere af van de temperatuur en de druk. Een gas wordt vloeibaar als je het afkoelt, maar ook als je het gas sterk samenperst. Een stof kan van de ene fase naar de andere overgaan. Dit heet een faseovergang. Iedere faseovergang heeft een eigen naam. Die namen moet je kennen. In figuur 4.4 zijn de fasen en faseovergangen schematisch weergegeven. Bij water mag je bevriezen en ontdooien gebruiken in plaats van stollen en smelten.

Figuur 4.4

Je ziet in figuur 4.4 dat bij sublimeren stoffen direct van de vaste fase overgaan naar de gasvormige fase. Een voorbeeld daarvan is een stuk zeep dat lekker ruikt. Er staat geen laagje vloeistof op de zeep. Toch bewijst de geur in je neus dat er een gas is vrijgekomen. De vaste stof is overgegaan in een gas zonder eerst vloeibaar te worden. Tijdens een vorstperiode gaat waterdamp direct over in ijs. Zie figuur 4.5. Er ontstaan geen waterdruppels aan de bomen, maar ijskristallen. Die uit waterdamp gevormde ijskristallen noem je rijp. De directe overgang van de gasvormige fase naar de vaste fase noem je rijpen.

Figuur 4.5

Bij elke temperatuur vindt aan het oppervlak van een vloeistof verdamping plaats. Als een vloeistof kookt, gaat de vloeistof overal over in de gasfase. In de gehele vloeistof ontstaan dan bellen met gas.

Voorbeeld 1 Verdampen van een vloeistof

Bij verdamping aan het oppervlak overwint een molecuul de aantrekkende kracht van de andere moleculen in de vloeistof. Noem twee manieren om een vloeistof sneller te laten verdampen. Licht je antwoord toe met het molecuulmodel.

Uitwerking Een molecuul kan de aantrekkende kracht overwinnen als zijn snelheid groot genoeg is. Door de temperatuur te verhogen vergroot je de gemiddelde snelheid van de moleculen. Dan ontstaan er meer moleculen met voldoende snelheid om te kunnen ontsnappen. Als je het oppervlak vergroot, zijn er bij het oppervlak meer moleculen met voldoende snelheid die daardoor kunnen ontsnappen. (Moleculen in diepere lagen botsen tegen andere moleculen waardoor ze het oppervlak niet kunnen bereiken.)

Temperatuurschaal

Als de kinetische energie van de moleculen van een stof afneemt, daalt de temperatuur van de stof. Is de kinetische energie nul, dan bewegen de moleculen niet meer. De temperatuur kan dan niet verder meer dalen. Alle moleculen staan stil bij een temperatuur van −273,15 °C. Deze temperatuur heet het absolute nulpunt. Een lagere temperatuur dan het absolute nulpunt is niet mogelijk.

Temperatuur meet je met een thermometer. Als eenheid gebruik je meestal graden Celsius met symbool °C. De schaalverdeling van een thermometer in graden Celsius is afgeleid van het smeltpunt (0 °C) en het kookpunt (100 °C) van water.

Een andere temperatuurschaal begint bij het absolute nulpunt en heet de absolute temperatuurschaal. De eenheid van deze schaal is kelvin met symbool K. Een temperatuurstijging van 1 K (één kelvin) komt overeen met een temperatuurstijging van 1 °C (één graad Celsius). Zie figuur 4.6.

Figuur 4.6

Let op: Je spreekt van graden Celsius, maar bij kelvin ontbreekt het woord graden. Ook het gradensymbool ° gebruik je niet bij kelvin.

Voor het verband tussen de temperatuur in graden Celsius en de temperatuur in kelvin geldt:

TCelsius = Tkelvin − 273,15 en ΔTCelsius = ΔTkelvin

▪ TCelsius is de temperatuur in graden Celsius. ▪ Tkelvin is de temperatuur in K. ▪ ΔTCelsius is het temperatuurverschil in °C. ▪ ΔTkelvin is het temperatuurverschil in K.

De waarden 0 °C en 273,15 K vind je in BINAS tabel 7 bij smeltpunt van ijs. De eigenschappen van een stof hangen af van de temperatuur en/of druk. Daarom staat in BINAS tabel 8 tot en met 12 de temperatuur vermeld bij eigenschappen als dichtheid, soortelijke warmte en warmtegeleidingscoëfficiënt. Bij smelt- en kookpunt zie je dat die zijn bepaald bij de standaarddruk p0. In BINAS tabel 7 vind je de waarde ervan.

Voorbeeld 2 Redeneren met dichtheid en temperatuur

In BINAS tabel 11 staat bij dichtheid T = 293 K. a Reken deze temperatuur om naar °C. Je verwarmt een bekerglas met 1,0 L water. Neem aan dat er geen water verdampt. Leg uit of de volgende grootheden toenemen, afnemen of gelijk blijven: b de massa van het water c het volume van het water d de dichtheid van het water

Uitwerking a TCelsius = Tkelvin − 273,15

TCelsius = 293 − 273,15 = 19,85 °C b Als er geen water verdampt, blijft het aantal moleculen hetzelfde.

De massa blijft dus gelijk. c Als de temperatuur stijgt, zet het water uit. Het volume neemt dus toe. d Voor de dichtheid geldt ρ =

m _ V . Als het volume toeneemt en de massa blijft gelijk, dan neemt de dichtheid af.

1 In een kamer hangt een alcoholthermometer die de temperatuur van de lucht in de kamer meet. Ramen en deuren zijn dicht. Overdag geeft de thermometer 21 °C aan en in de nacht erna 10 °C.

Vergelijk beide situaties met elkaar en geef aan of de volgende uitspraken natuurkundig gezien goed of fout zijn. Verbeter de foute uitspraken zodat ze natuurkundig gezien wel kloppen. a Er is kou de kamer binnengekomen. b De moleculen in de lucht bewegen overdag langzamer dan ’s nachts. c De gemiddelde ruimte tussen de alcoholmoleculen is ’s nachts kleiner dan overdag. d De thermometer heeft warmte afgestaan. e De gemiddelde afstand tussen de moleculen in de lucht is ’s nachts kleiner dan overdag.

2 Reken de volgende temperaturen om.

a 25 °C = . . . . . . . . K b −4 °C = . . . . . . . . K c 4 K = . . . . . . . . °C d 293 K = . . . . . . . . °C

3 Leonie doet na de gymles wat deodorant op.

Leg met het molecuulmodel uit dat je na een tijdje de deodorant ook ruikt.

4 In een vriezer ontstaat na verloop van tijd een laag ‘ijs’. Zie figuur 4.7. a Geef een verklaring voor het ontstaan van ‘ijs’. b Noem twee manieren om de snelheid van ijsvorming te verlagen.

Figuur 4.7

5 De temperatuur van een stof daalt van 63 °C naar −80 °C. a Leg uit wat er gebeurt met de gemiddelde kinetische energie van de stof. b Bereken het temperatuurverschil in graden Celsius. c Laat met een berekening zien dat het temperatuurverschil in kelvin dezelfde waarde oplevert.

Een temperatuur van −80 K is niet mogelijk. d Leg dit uit met het molecuulmodel.

6 Bij bruggen en bij viaducten over autowegen zie je vaak spleten en rollen zoals in figuur 4.8 bij A en B. a Worden de spleten bij A smaller of breder als de temperatuur stijgt?

Het wegdek zit niet vast aan de pijlers, maar er zit een rol tussen. b Waarom zit het wegdek niet aan de pijlers vast?

De rol bij de linker pijler ligt in het midden, terwijl die bij de rechter pijler een stuk naar links ligt. Zie figuur 4.8 bij B. c Leg uit waarom rol B niet midden op de pijler ligt, maar juist wat meer naar links.

7 Met krimpverbindingen kun je een as en een wiel stevig met elkaar verbinden. Bij kamertemperatuur past de as niet in het gat van het wiel. Zie figuur 4.9a. Koel je de as af tot een temperatuur van −80 °C, dan past de as wel in het gat. Zie figuur 4.9b.

Is de as weer op kamertemperatuur, dan zit hij stevig vast in het wiel. In figuur 4.9b is de as smaller dan in figuur 4.9a. Voor de duidelijkheid is dit sterk overdreven weergegeven. a Leg uit waarom de as bij een temperatuur van −80 °C dunner is dan bij kamertemperatuur. b Waarom kun je deze methode niet op elke plaats in de wereld toepassen?

Figuur 4.8

a b

Figuur 4.9

8 De vaste fase van water heet ijs, de gasvormige fase heet waterdamp. a Bereken met behulp van de dichtheid het volume van: – 1,000 kg ijs van 269 K; – 1,000 kg vloeibaar water van 293 K; – 1,000 kg waterdamp van 373 K.

Als je water verwarmt, stijgt de temperatuur van het water tot 100 °C.

Blijf je verwarmen, dan gaat vloeibaar water over in waterdamp van 100 °C.

De bewegingsenergie van de moleculen blijft dan hetzelfde. b Waarvoor wordt de warmte dan gebruikt?

De krachten tussen de moleculen zijn in waterdamp veel kleiner dan in water of ijs. c Noem een reden waarom de krachten tussen moleculen in waterdamp niet 0 N kunnen zijn.

9 In een pan zit gesmolten kaarsvet van 90 °C. Zappa voegt daar vast kaarsvet met een temperatuur van 20 °C aan toe. a Blijft dit kaarsvet drijven of gaat het zinken? Licht je antwoord toe.

Het vloeibare kaarsvet zorgt ervoor dat het vaste kaarsvet smelt. In figuur 4.10 zie je het (temperatuur, tijd)-diagram. De zwarte grafiek bestaat uit de trajecten A, B en C.

T

Figuur 4.10

b Leg voor elk traject uit of de kinetische energie van de moleculen toeneemt, afneemt of gelijk blijft. c Leg voor elk traject uit of de potentiële energie van de moleculen toeneemt, afneemt of gelijk blijft. d Leg uit wat er in elk traject gebeurt met de inwendige energie van de stof. e Leg uit of de temperatuur van het kaarsvet na 19 minuten toeneemt, afneemt of gelijk blijft.