Som jag tidigare skrivit om fick jag för några veckor sen en påminnelse om att vissa av de där förklaringarna som står i fysikböcker i grundskolan inte riktigt stämmer. Idag har turen kommit till fråga nr. 2, nämligen:
Hur fungerar skridskor?
a) Trycket under skenan blir så högt att vattnet smälter, och därför glider den lätt
b) Is har alltid ett tunt, tunt lager vatten ovanpå, vilket gör att friktionen minskar
c) Stål har låg friktion vid temperaturer under noll grader Celsius.
Låt oss börja med alternativ c. Friktionen mellan två fasta material är en effekt av att atomerna i de båda materialen attraherar varandra, vilket gör att man får en barriär som måste övervinnas om man vill flytta på det ena materialet i förhållande till det andra. De här effekterna kan mycket väl bero på både temperatur och hur själva ytan ser ut, men stål har inte en exceptionellt låg friktion vid låga temperaturer. Dessutom är det inte säkert att det skulle hjälpa om det hade det eftersom den friktion som ändå uppstår sannolikt skulle värma upp stålet efter ett tag.
Alternativ a är det som brukar dyka upp i läroböcker och populärvetenskapliga förklaringar. Rent intuitivt så kan det verka vettigt: Till skillnad från de flesta andra ämnen har vatten högre densitet (vikt per volymsenhet) som vätska än som fast material, så ett tillräckligt högt tryck skulle kunna få isen att smälta. Frågan är då om trycket från en person på skridskor räcker för att få isen under skridskon att smälta? Svaret på den frågan är nej. För att få is att smälta vid -1 grad Celsius behöver man öka trycket med cirka 10 atmosfärer, och så högt tryck blir det knappast under en skridsko. Dessutom åker man ju oftast skridskor när det är kallare än -1.
Återstår då alternativ b. Vilken fas ett ämne befinner sig i vid en viss temperatur beror, aningen förenklat, på dess energi och entropi. Energin är lägre för is än för vatten, men vatten har ändå lägre energi än vattenånga. Entropi är ett mått på oordning och en gas har därför högre entropi än en vätska, som har högre entropi än ett fast material. Allting strävar efter att ha låg energi och hög entropi, så dessa båda storheter balanseras mot varandra. Entropin spelar dessutom större roll ju högre temperaturen är - vid noll Kelvin är det bara lägsta möjliga energi som avgör. Att energin är så låg i fasta material beror på hur atomerna eller molekylerna som det är uppbyggt av sitter ihop, exempelvis att varje molekyl har rätt antal grannar. På materialets yta kommer det dock att finnas molekyler som saknar grannar i en riktning eftersom materialet tar slut. Energin är därför högre och då kan balansen tippa över mot ökad entropi, vilket kan medföra att det yttersta lagret smälter.
Mer om varför is är så halt finns här (på engelska).
söndag 24 juni 2012
måndag 11 juni 2012
Om världens andra chans
Vill bara helt kort rekommendera en artikel av Karin Bojs i DN, om förutsättningarna inför miljömötet i Rio om någon vecka. Det verkar ha gått lite si och så med att uppfylla de löften som gavs vid det förra mötet för tjugo år sedan, mer om det kan man hitta i senaste Nature.
söndag 10 juni 2012
Sånt man trodde man visste
För en dryg vecka sedan var det vårfest med mat, mingel och quiz pǻ mitt jobb. Eftersom vi är en fysikinstitution så handlade en del av frågorna i quizet om fysik - sån där vardagsfysik som vi alla tyckte att vi kunde.
Tänk så fel man kan ha.
Några av de här frågorna gav upphov till ganska livliga diskussioner. Det var också de frågorna där ett av svarsalternativen var det som står i fysikböcker på grundskolan - och det svarsalternativet var inte rätt. Därför tänkte jag diskutera några av frågorna här. Den första är:
Föremål från rymden värms upp när de kommer in i atmosfären för att:
a. De trycker ihop luften framför sig
b. De gnids mot luften (friktion)
c. De är varma på grund av kosmisk strålning och luften isolerar dem.
Alternativ c kan uteslutas ganska lätt. Hur varmt ett föremål från rymden är torde mest bero på hur långt det är till närmaste stjärna och om det är i skuggan av nåt eller inte. Även om ett föremål från rymden (en sten, till exempel) skulle vara upphettat av den kosmiska strålningen så skulle det vara mer välisolerat, och därför förbli varmare, i vakuum. I vakuum kan stenen nämligen bara kylas ner genom att den strålar ut värmestrålning. I atmosfären kan den, förutom att ge ifrån sig strålning, också göra av med värmeenergi genom att luftmolekyler krockar med den och då kan ta med sig en del energi bort från stenen.
De andra två alternativen kan kräva lite mer eftertanke. Alternativ b är så vitt jag minns det som står i fysikböckerna i grundskolan. Man tänker sig att när molekylerna i luften krockar med stenen så bromsas den ner och rörelseenergi omvandlas till värme. Det låter ju ganska rimligt, men eftersom det är ganska långt mellan molekylerna i luften (framför allt på hög höjd) så kan man fråga sig om effekten verkligen är tillräckligt stor för att förklara att de flesta meteorer hinner förångas innan de når jordytan.
Rätt svar var alltså alternativ a. Sambandet mellan tryck, volym och temperatur i atmosfären beskrivs på ett ungefär av den ideala gaslagen
pV=NkT
där p är trycket, V volymen, N antalet partiklar och T temperaturen. Om vi antar att antalet partiklar är konstant så ser vi att det finns två sätt att höja temperaturen: vi kan öka volymen eller öka trycket (eller göra både och, eller minska det ena och öka det andra i lagom grad, men låt oss göra det lite lätt för oss). Eftersom luften framför meteoren sannolikt har gott om plats att flytta på sig kan vi anta att den håller sin volym ganska konstant. Däremot kommer den att krocka med den framrusande stenen vilket leder till en ökning av trycket, och alltså också en ökning av temperaturen. En del av denna temperaturökning kommer att överföras till stenen genom alla krockande molekyler, och så blir stenen varm.
Det ska tilläggas att några jag pratade med efter quizet tyckte att alternativ a och b egentligen inte gick att skilja åt eftersom de båda handlar om vad som händer då stenen krockar med molekyler i atmosfären, tryckökningen kan ju ses som en effekt av friktion. I alla fall får man nog tänka sig att man får ett bidrag från båda effekterna, men att alternativ a är det som dominerar.
Tänk så fel man kan ha.
Några av de här frågorna gav upphov till ganska livliga diskussioner. Det var också de frågorna där ett av svarsalternativen var det som står i fysikböcker på grundskolan - och det svarsalternativet var inte rätt. Därför tänkte jag diskutera några av frågorna här. Den första är:
Föremål från rymden värms upp när de kommer in i atmosfären för att:
a. De trycker ihop luften framför sig
b. De gnids mot luften (friktion)
c. De är varma på grund av kosmisk strålning och luften isolerar dem.
Alternativ c kan uteslutas ganska lätt. Hur varmt ett föremål från rymden är torde mest bero på hur långt det är till närmaste stjärna och om det är i skuggan av nåt eller inte. Även om ett föremål från rymden (en sten, till exempel) skulle vara upphettat av den kosmiska strålningen så skulle det vara mer välisolerat, och därför förbli varmare, i vakuum. I vakuum kan stenen nämligen bara kylas ner genom att den strålar ut värmestrålning. I atmosfären kan den, förutom att ge ifrån sig strålning, också göra av med värmeenergi genom att luftmolekyler krockar med den och då kan ta med sig en del energi bort från stenen.
De andra två alternativen kan kräva lite mer eftertanke. Alternativ b är så vitt jag minns det som står i fysikböckerna i grundskolan. Man tänker sig att när molekylerna i luften krockar med stenen så bromsas den ner och rörelseenergi omvandlas till värme. Det låter ju ganska rimligt, men eftersom det är ganska långt mellan molekylerna i luften (framför allt på hög höjd) så kan man fråga sig om effekten verkligen är tillräckligt stor för att förklara att de flesta meteorer hinner förångas innan de når jordytan.
Rätt svar var alltså alternativ a. Sambandet mellan tryck, volym och temperatur i atmosfären beskrivs på ett ungefär av den ideala gaslagen
pV=NkT
där p är trycket, V volymen, N antalet partiklar och T temperaturen. Om vi antar att antalet partiklar är konstant så ser vi att det finns två sätt att höja temperaturen: vi kan öka volymen eller öka trycket (eller göra både och, eller minska det ena och öka det andra i lagom grad, men låt oss göra det lite lätt för oss). Eftersom luften framför meteoren sannolikt har gott om plats att flytta på sig kan vi anta att den håller sin volym ganska konstant. Däremot kommer den att krocka med den framrusande stenen vilket leder till en ökning av trycket, och alltså också en ökning av temperaturen. En del av denna temperaturökning kommer att överföras till stenen genom alla krockande molekyler, och så blir stenen varm.
Det ska tilläggas att några jag pratade med efter quizet tyckte att alternativ a och b egentligen inte gick att skilja åt eftersom de båda handlar om vad som händer då stenen krockar med molekyler i atmosfären, tryckökningen kan ju ses som en effekt av friktion. I alla fall får man nog tänka sig att man får ett bidrag från båda effekterna, men att alternativ a är det som dominerar.
Prenumerera på:
Inlägg (Atom)