Materiens tillstånd Atomer Materiens minsta byggstenar Bilder från: http://www.qedata.se/js_ishotell-galleri.htm http://www.webkonzepte.de/ 24/2-2010 Bilder från: www.rock-on-rock-on.com www.konsthantverkarna.se Grekernas filosofi ca 500 år f.kr Atomos = odelbar Bohrs atommodell Bohrs atommodell Ernest Rutherford, 1871 1937 Nobelpriset i kemi 1908 Niels Bohr, 1885 1962 Nobelpriset i fysik, 1922 Idag kan vi se atomer 90% universum Grundämnen Atomic Force Microscope - Atomkraftsmikroskop Bild från http://www.physik.uni-augsburg.de/ 1
Molekyler Atomer i förening Materiens inre hemligheter Bild från: www.dread.demon.nl www.pixgallery.com För att slå sönder atomer krävs höga hastigheter CERN - Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Schweiz) 2 km Partikelacceleratorer 100 m Antimateria Science fiction - + - Materia + - - + + Antimateria Kan ej samexistera! 2
MAX-Lab (Lund) 530 m Mer om atomernas värld 21/4 Byggstart 2010 De tre tillstånden Gas Vätska Solid Fasta tillstånd - kristallstruktur Diamant Grafit Samma kolatomer men ändå så olika! Strukturbilder från: http://www.uncp.edu Bild från: McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com Fasta tillstånd - kristallstruktur Koksalt: NaCl Proteinkristall Fasta tillstånd amorfa material Atomerna och molekylerna är slumpvis fördelade Gummi Glas Plast http://www.biology.arizona.edu/ Bild från: Cody et al. Ligand-Induced Conformational Changes in the Crystal Structures of Pneumocystis Carinii Dihydrofolate Reductase Complexes with Folate and Nadp+ Biochemistry 38 pp. 4303 (1999) Kristallager mellan två amorfa lager av SiC. Bild från: http://www.itap.physik.uni-stuttgart.de 3
De tre tillstånden Egenskaper hos fasta material Gas Bl. a.: Elasticitet Dragspänning Skjuvspänning Kompression m.m Vätska Solid Bild från: McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com Vätskor Densitet, ρ Molekylerna ej bundna vid fixa positioner utan kan byta plats. Massan Fyller ut sin behållare. Densitet = [ kg/l ] Vätebindningar i vatten 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 Volymen Havsvatten: 1.03 kg/l Mjölk: 1.028-1.035 kg/l Kvicksilver: 13.55 kg/l Bild från: McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com/ Vad skulle hända om fakiren ställer sig på händerna? Tryck Kraft Tryck = Area Stor area: litet tryck Liten area: stort tryck När är trycket störst? 4
Tryck i vätskor Tryck = Densitet x g x djup = ρ g h Arkimedes princip Ett föremål som är nedsänkt i en vätska, påverkas av en lyftkraft som motsvarar tyngden på den undanträngda vätskan. HEUREKA! h Pascals lag Arkimedes, 287 212 f.kr. Flytkraft Kontrollera sin flytkraft Viktbälte: BCD-väst: Flytkraften = tyngden hos undanträngt vatten = ρ x V x g Ändrar sin egen densitet! Pascals princip Hydraulik i vardagen Tryck som utövas i någon del av en vätska i vila överförs utan förlust till alla delar av vätskan. Blaise Pascal, 1623-1662 Animering 5
Ytspänning Reduktion av ytspänning utan med Molekylerna i ytan attraheras inåt varför ytarean minimeras. Attraherar vatten! Attraherar fett! Kapillärkraft Gaser Gas Vätska Solid Attraktion mellan vattenmolekyler och rörväggen Molekylerna rör sig fritt och saknar bindande krafter. Bild från: McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com 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 Gäller vid konstant temperatur! 6
Fluider Gas Vätska Solid Vad händer med en dykare? Luften i lungorna, ca 3L 0 m Molekylerna rör sig och mediet kan flyta. 10 m Bild från: McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com Kartesisk dykare Vad händer när man trycker på flaskan? Varför? Bernoullis Princip När hastigheten ökar, minskar trycket! Arean x hastigheten = konstant Liten area: Stor hastighet Lågt tryck Stor area: liten hastighet Högt tryck Daniel Bernoulli, 1700-1762 Varför flyger flygplan? Högre hastighet, dvs lägre tryck Lyftkraft Lite fler exempel på Bernoullis princip Lägre hastighet, dvs högre tryck Bild från: www.mit.edu 7
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. Termostat Temperatur och densitet Den 6 juli 1997 mellan Lästringe och Tystberga. www.banverket.se Generellt: Högre temperatur ger lägre densitet Fast är tyngre än smält Varför flyter is? För att is är kallt och vill komma närmare solen Ja visst! Verkligen? Kolla upp det får du se! Skulle kollat upp det på en gång Du kan lära dig mycket av mig. 8
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 Is Vatten Bild från: Hill, General Chemistry Bild från: MacMurry, Chemistry Celsius Anders Celsius, 1701-1744 0 ºC, vattnets fryspunkt 100 ºC, vattnets kokpunkt Temperaturskalor Fahrenheit Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686-1736 0 ºF, den lägsta utomhustemperatur han kunde mäta 100 ºF, sin egen kroppstemperatur Kelvin William Thompson, 1st Baron Kelvin Lord Kelvin 1824-1907 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. + Bild från: McMurry Chemistry, http://wps.prenhall.com Plasma det 4:e tillståndet Plasma i vardagen Hög temperatur ger joniserade atomer. + Mer information på http://www.howstuffworks.com/ 9
Quizz Quizz Vilket tillstånd? Vilket tillstånd? Quizz Sammanfattning Vilket tillstånd? 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 10