Materiens tillstnd

(1)

Materiens tillstånd

24/2 - 2010

Bilder från:

http://www.qedata.se/js_ishotell-galleri.htm

http://www.webkonzepte.de/

Atomer

– Materiens ”minsta” byggstenar

Grekernas filosofi ca 500 år f.Kr

Bilder från: www.rock-on-rock-on.com www.konsthantverkarna.se

Atomos = odelbar

Bohrs atommodell

Ernest Rutherford, 1871 – 1937 Nobelpriset i kemi 1908

Bohrs atommodell

Niels Bohr, 1885 – 1962 Nobelpriset i fysik, 1922

Idag kan vi ”se” atomer

Bild från

Atomic Force Microscope - Atomkraftsmikroskop

Grundämnen

(2)

Molekyler

– Atomer i förening

Bild från: www.dread.demon.nl

Materiens inre hemligheter

www.pixgallery.com

För att slå sönder atomer krävs

höga hastigheter

Partikelacceleratorer

CERN - Conseil Européen pour la

Recherche Nucléaire (Schweiz)

2 km 100 m

Antimateria

+

--

-+

+

Materia

Antimateria

Kan ej samexistera!

Science fiction

(3)

MAX-Lab (Lund)

530 m Byggstart 2010

Mer om atomernas värld

21/4

De tre tillstånden

Bild från: McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com

Gas

Vätska

Solid

Fasta tillstånd - kristallstruktur

Diamant

Grafit

Strukturbilder från: http://www.uncp.edu

Samma kolatomer men ändå så olika!

Fasta tillstånd - kristallstruktur

Bild från: Cody et al. Ligand-Induced Conformational Changes in the Crystal Structures of Pneumocystis Carinii http://www.biology.arizona.edu/

Koksalt: NaCl

Proteinkristall

Fasta tillstånd – amorfa material

Atomerna och molekylerna är slumpvis fördelade

Kristallager mellan två amorfa lager av SiC. Bild från: http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de

•Gummi

•Glas

•Plast

(4)

Egenskaper hos fasta material

Bl. a.:

• Elasticitet

• Dragspänning

• Skjuvspänning

• Kompression

• m.m

De tre tillstånden

Gas

Vätska

Solid

Vätskor

Bild från: McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com/

Vätebindningar i vatten

• Molekylerna ej bundna

vid fixa positioner utan

kan byta plats.

• Fyller ut sin behållare.

Densitet, ρ

ρ

Densitet =

Massan

Volymen

[ kg/l ]

Vatten: 0.99820 kg/l ≈ 1 kg/l Bensin: 0.66-0.69 kg/l Sprit (etanol): 0.791 kg/l Olivolja: 0.9 kg/l Havsvatten: 1.03 kg/l Mjölk: 1.028-1.035 kg/l Kvicksilver: 13.55 kg/l

Tryck

Tryck =

Kraft

Area

Stor area

: litet tryck Liten area:

stort tryck

När är trycket störst?

Vad skulle hända om fakiren

ställer sig på händerna?

(5)

Tryck i vätskor

Tryck = Densitet

x

g

x

djup = ρ g h

h

Pascals lag

Arkimedes princip

Ett föremål som är nedsänkt i en vätska, påverkas av en lyftkraft

som motsvarar tyngden på den undanträngda vätskan.

Arkimedes, 287 – 212 f.Kr.

HEUREKA!

Flytkraft

Flytkraften = tyngden hos undanträngt vatten = ρ

x

V

x

g

Kontrollera sin flytkraft

Viktbälte:

BCD-väst:

Ändrar sin egen densitet!

Pascals princip

Blaise Pascal, 1623-1662

Tryck som utövas i någon del av

en vätska i vila överförs utan

förlust till alla delar av vätskan.

Animering

(6)

Ytspänning

Molekylerna i ytan

attraheras ”inåt” varför

ytarean minimeras.

Reduktion av ytspänning

utan med Attraherar vatten! Attraherar fett!

Kapillärkraft

Attraktion mellan vattenmolekyler och rörväggen

Gaser

Gas

Vätska

Solid

Molekylerna rör sig fritt och ”saknar” bindande krafter.

Ideal gas

• identiska partiklar utan egen volym

• saknar växelverkan

• elastiska kollisioner

Boyles lag

Tryck x Volym = konstant

Stor volym

: Litet tryck Liten volym :

Stort tryck

(7)

Fluider

Gas

Vätska

Solid

Molekylerna rör sig och mediet kan flyta.

Vad händer med en dykare?

0 m

10 m

• Luften i lungorna, ca 3L

Kartesisk dykare

• Vad händer när man

trycker på flaskan?

• Varför?

Bernoullis Princip

Daniel Bernoulli, 1700 - 1762

När hastigheten ökar,

minskar trycket!

Arean x hastigheten = konstant

Stor area

: liten hastighet

Liten area:

Stor hastighet

Högt tryck

Lågt tryck

Varför flyger flygplan?

Högre hastighet, dvs lägre tryck

Lägre hastighet, dvs högre tryck

Lyftkraft

(8)

Temperatur

Värme är associerat med molekylernas rörelseenergi

Temperaturens inverkan på gaser

P

x

V = konstant

x

antal molekyler

x

Temperatur

Vad händer med ballongen?

Termisk expansion hos fasta material

En fritt upplagd räls på 40 m blir 23 mm längre om temperaturen stiger 50ºC.

Den 6 juli 1997 mellan Lästringe och Tystberga. www.banverket.se

Termostat

Temperatur och densitet

Generellt:

Högre temperatur ger lägre densitet

Fast är tyngre än smält

Varför

flyter is? För att is är kallt och vill komma närmare

solen

Verkligen? Ja visst! Kolla upp det

får du se! Skulle kollat upp det på en gång… Du kan lära dig mycket av mig.

(9)

Vattnets densitet

Is:

0.917 kg/l

Vatten (0°C):

0.99984 kg/l

Vatten (4°C):

0.99997 kg/l

Vatten (100°C): 0.95836 kg/l

Bild från: Hill, General Chemistry Bild från: MacMurry, Chemistry

Is

Vatten

Temperaturskalor

Anders Celsius, 1701 - 1744

0 ºC, vattnets fryspunkt 100 ºC, vattnets kokpunkt

Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686 - 1736 0 ºF, den lägsta utomhustemperatur han kunde mäta 100 ºF, sin egen kroppstemperatur

Celsius

Fahrenheit

William Thompson, 1st Baron Kelvin Lord Kelvin 1824 - 1907

Kelvin

0 K, absoluta nollpunkten 273.16 K, vattnets trippelpunkt

De tre tillstånden

Gas

Vätska

Solid

Plasma

– det 4:e tillståndet

Hög temperatur

ger joniserade

atomer.

+

Plasma

– det 4:e tillståndet

Hög temperatur

ger joniserade

atomer.

+

Plasma i vardagen

(10)

Quizz

• Vilket tillstånd?

Quizz

• Vilket tillstånd?

Quizz

• Vilket tillstånd?

Sammanfattning

• Atomer – materiens ”minsta” byggstenar

• De tre tillstånden:

– Fast:

• Kristallstruktur och amorfa material – Flytande:

• Densitet och tryck • Flytkraft

• Ytspänning och kapillärkraft – Gas:

• Ideal gas

• Fluider

• Temperatur

• Plasma – det fjärde tillståndet

Nästa gång 3/3:

Motorer och kylskåp

http://www.aircraftbanking.com/ http://sv.wikipedia.org