har som nævnt en høj fordampningsvarme – med andre ord, det koster meget energi at fordampe vand. Det er en meget stor fordel for kroppens indhold af vand, idet den høje fordampningsvarme sikrer os mod dehydrering og samtidig kan være med til at beskytte kroppen mod overophedning. I meteorologien er fordampningsvarmen også en meget central egenskab, idet den er drivkraften bag mange af de voldsomste vejrfænomener, vi kender. Den energi (=varme), der kræves for at fordampe 1 gram flydende vand til vanddamp, svarer præcist til den mængde energi, der frigives, når vanddampen kondenserer (fortættes), og der gendannes 1 gram flydende vand. På den måde bidrager vand til at transportere energi rundt i atmosfæren.
Overfladespænding
Når et vandmolekyle befinder sig mellem en masse andre vandmolekyler, vil det, som vi har været inde på, helst være omgivet af fire andre vandmolekyler, altså have fire perfekte hydrogenbindinger til de nærmeste naboer. Hvis vandmolekylet derimod sidder i overfladen af væsken, kan dette ikke lade sig gøre, da molekylet jo har luft på den ene side og vand på den anden side. Det kan vandmolekylerne ikke lide, så de prøver at arrangere sig, så overfladen bliver mindst mulig. Det er denne omorganisering af vandmolekylerne på overfladen, der giver anledning til det kendte fænomen overfladespænding. Overfladespændingen betyder, at objekter, der har en større densitet end vand, faktisk kan flyde. Er man forsigtig og omhyggelig, kan man få en affedtet knappenål til at flyde på en rolig vandoverflade. Man har også set de små insekter skøjteløberne, der på næsten bibelsk facon kan gå på vandet. Overfladespænding er strengt taget ikke en termodynamisk egenskab, men snarere en fysisk egenskab. Den spiller en rolle i botanikken i forbindelse med transport af vand rundt i træer og planter.
| TILSTANDSFORMER | Faktaboks 2.1 |
Alle de stoffer, vi kender, kan eksistere under tre tilstandsformer. Igen er vand et illustrativt eksempel. Is er vand i fastfase, flydende vand er vand i væskefase, og vanddamp er vand i gasfase. Både tryk og temperatur spiller en rolle for, hvilken fase stoffet er i. Er temperaturen under 0 °C, er vand i fastfase, og er temperaturen over 100 °C, er vandet i gasfase. Dette er dog under forudsætning af, at trykket er lige omkring 1 bar. Er trykket eksempelvis lavere end 1 bar, indtræder gasfasen ved lavere temperatur. Sammenhængen mellem vands faser og tryk og temperatur kan aflæses i et fasediagram som vist nedenfor. En grundlæggende egenskab ved faseovergange, eksempelvis når is bliver til vand, eller når vand bliver til damp, er, at der enten skal bruges varme, eller at der udveksles varme. Når vand fordamper, koster det fordampningsvarmen, og når vanddampen igen fortættes til flydende vand, frigives fordampningsvarmen, nu under navnet for-tætningsvarme.
Figur 2.6
Iskrystal. På hjemmesiden www.vand.au.dk kan du finde henvisninger til en række meget smukke billedsamlinger, der viser smukke og forunderlige iskrystaller, eller isblomster som de også ofte kaldes. (Tak til professor Kenneth G. Libbrecht fra California Institute of Technology for tilladelse til at bruge billedet.)
Is
Når temperaturen bliver lav nok, typisk omkring 0 ˚C, begynder hydrogenbindingerne at stivne, vand krystalliserer, og vi får dannet is. I forhold til flydende vand er is faktisk simplere at forstå, primært fordi de enkelte vandmolekyler sidder nogenlunde stille, dvs. de bevæger sig ikke rundt mellem hinanden, som de gør, når vand optræder som væske. Fra vores dagligdag kender vi is i en lang række forskellige forekomster: som is på vand, som isterninger, som snevejr, som rimfrost, som slud, som isslag og som de meget smukke iskrystaller, man kan være heldig at se en kold vintermorgen.
Figur 2.6 viser en perfekt iskrystal med den karakteristiske seks-tals-symmetri. Centeret er sekskantet (hexagonalt), der er seks arme, og ser man nøje efter, er der mange andre sekskantede elementer i krystallen. Denne symmetri stammer fra opbygningen af de enkelte vandmolekyler og hydrogenbindingerne imellem dem. Laver man en lille bitte iskrystal, eksempelvis bestående af 20 vandmolekyler, viser det sig, at når man vil bygge flere vandmolekyler på krystallen, så er det nemmere at få plads til dem, hvis man sætter dem i bestemte positioner. Derved opstår den karakteristiske hexagonale symmetri i iskrystallerne.
Krystallens endelige udseende bestemmes dels af temperaturen, og dels af hvor meget fugt (vanddamp) der er, hvor krystallen dannes. Eksempelvis er der mange forskellige former for sne og snevejr, afhængigt af hvor koldt og fugtigt det er. Det grønlandske sprog indeholder en række forskellige ord for sne, hvilket er beskrevet i Peter Høegs roman Frøken Smillas fornemmelse for sne. De fleste ved godt, at man kun kan lave snemænd under ganske særlige omstændigheder – når der er meget vand i sneen.
Selv om iskrystaller er glasagtige, dvs. gennemsigtige for lys, er det meste sne helt hvidt. Det skyldes, at sneen ikke består af en stor iskrystal, men af mange små iskrystaller med luft mellem de enkelte krystaller. Krystallerne er typisk mindre end 0,01 mm i diameter, og det betyder, at de reflekterer alt det lys, der rammer dem, og derved fremstår sneen som hvid, når vi betragter den. Er det rigtigt koldt, ser man nogle gange sneen glimte, som om der var små diamanter i sneen. Det skyldes store iskrystaller, der reflekterer lys meget effektivt og derved glimter i solen. Det samme fænomen ser man også nogle gange om vinteren, når der er en smuk lysende ring omkring månen. Haloen, som den kaldes, skyldes iskrystaller i den øvre del af atmosfæren. Faktisk kan man ud fra haloens størrelse og form præcist sige, hvilken type iskrystaller der er i atmosfæren. På www.vand.au.dk. kan du finde henvisninger til nogle meget flotte hjemmesider med haloer.
Man skal også huske, at sne ikke er regndråber, der er frosset. Sneen dannes typisk ud fra nogle mikroskopiske støvpartikler, hvorpå vanddamp kondenserer. Dvs. sneen opstår, når vand går direkte fra damp til faststof. Er støvpartiklerne ikke til stede, kan man opleve, at regndråberne bliver underafkølede. Det betyder, at de har en temperatur under 0 ˚C. Så snart de rammer jorden på en kold vinterdag, starter overgangen fra væske til faststof, og vi har fænomenet isslag. Selvom vi kan observere et utal af forskellige typer sne og is, stammer de alle fra den samme mikroskopiske struktur, den hexagonale krystal. På figur 2.7 er krystalstrukturen vist. Oxygenatomerne er vist som røde kugler, og hydrogenatomerne er repræsenteret ved de grå kugler. På figur 2.7a er seks-tals-symmetrien tydelig. I figur 2.7b er krystallen roteret, så vi ser den fra siden. Her kan man se, at hvert hydrogenatom peger i retning af et oxygenatom og derved er med til at definere den ‘luftige’ struktur, der gør is lettere end vand. På www.vand.au.dk kan du finde en henvisning til en hjemmeside, hvor det er muligt at lave flotte billeder af iskrystaller og interaktivt bevæge sig ind og ud af krystallen.
Figur 2.7a og 2.7b
Figurerne viser en kraftig forstørrelse af en perfekt hexagonal iskrystal set henholdsvis forfra (a) og fra siden (b). Seks-tals-symmetrien er tydelig i 7a, mens 7b tydeligt viser, hvordan hvert enkelt hydrogenatom peger i retning af et oxygenatom.
Denne krystalstruktur,
