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).
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar