Sånt man trodde man visste II

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).

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.

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. 

Åter från konferensen

Förra veckan var jag på konferens i Strasbourg, Frankrike. Det var en stor konferens (ca 3000 deltagare) som arrangerades av European Materials Research Society. Det var på många sätt väldigt intressant och trevligt, jag fick till och med hålla en presentation - fast inte för alla 3000 utan för en mycket, mycket mindre grupp i ett symposium tillägnat protonledning i fasta material (det jag pratade om är en fortsättning på det jag beskrivit här och här).

Många andra konferensdeltagare höll väldigt spännande föredrag, men något av det mest intressanta var faktiskt att se och lyssna på personer vars artiklar jag har läst (vissa hann jag hälsa på också). Även om vetenskapliga artiklar skrivs på ett ganska standardiserat och opersonligt sätt bildar man sig en uppfattning om artikelförfattarna och deras syn på forskningsfältet, speciellt om man läst flera artiklar från samma forskargrupp. Nu har jag så att säga ansikten till några av namnen också.

Vissa föredrag på konferensen satte igång en del tankar hos mig som förhoppningsvis kommer att utmynna i bloggposter någon gång under sommaren, men det blir inte idag. Ni får nöja er med en bild av konferenscentret så länge.

Sånt som också ska göras...

När jag tänker på ordet forskning associerar jag till en massa saker: att läsa vetenskapliga artiklar, programmera eller köra simuleringar, framställa och mäta på prover, visa resultat i grafer, statistik... en massa saker som man gör som forskare. Mina associationer är naturligtvis påverkade av att jag varit doktorand i snart två år så jag vet inte vad andra skulle tänka på... labbrockar och pipetter kanske?

Jag tror i alla fall inte att någon direkt tänker på att googla på hur man omvandlar figurer mellan olika filformat och färgsystem på ett bra sätt. Det är ju inte direkt forskning heller, men faktiskt något man kan bli tvungen att göra när man forskar.

När man är klar med att formulera frågeställningar, göra sina försök och analysera sin data så ska det hela presenteras för andra också. Vi är i den processen nu då vi arbetar med två artiklar till en konferens i mitten av maj. Det finns naturligtvis en ganska strikt uppsättning regler för hur en vetenskaplig artikel ser ut i allmänhet, med sammanfattning, inledning, metod och så vidare. Varje vetenskaplig tidskrift har också en uppsättning regler för hur det inskickade materialet ska se ut: Formatering av text och tabeller, filformat, numrering av stycken, et cetera. Just figurer är (enligt min uppfattning) lite extra känsligt eftersom de är viktiga för att kunna presentera resultaten på ett visst sätt. Därför har jag den gångna veckan lärt mig skillnaden på RGB och CMYK-bilder (det kokar tydligen ner till att färgerna är definierade på lite olika sätt och att RGB är bra att använda om man ska visa bilden på en skärm medan CMYK är bättre om den ska tryckas).

Man lär sig nåt nytt varje dag...

En bra fråga

Häromdagen när jag satt på kontoret och begrundade resultatet av en beräkning ringde telefonen. Det var en tjej som ville ha svar på en fråga av fysikalisk karaktär och på något sätt fått tag på mitt telefonnummer. Frågan var ganska intressant så jag tänkte upprepa den här.

Saken gällde energi och hur den kan finnas i olika former. Tjejen hade fått höra att värmeenergi inte kan omvandlas till andra typer av energi utan är en sorts "slutstation". Det tyckte hon var konstigt eftersom man ofta har värme som ett mellansteg i olika processer, exempelvis i kärnkraftverk där energin från fissionsreaktionen används till att  koka vatten (=värme) så att ångan kan driva en turbin som genererar ström. Ett annat exempel på detta är hur rörelseenergin i vinden uppstår för att solen värmer upp olika delar av atmosfären olika mycket så att det börjar blåsa (tänk sjöbris en sommardag).

Det är dock inte den här typen av processer man syftar på när man säger att värme inte kan omvandlas till andra energislag. Exemplen ovan innehåller processer som inte är spontana i ett avskiljt system utan där det hela tiden tillförs energi till systemet från något annat energislag; kärnenergi i fallet med kraftverket och elektromagnetisk strålning i fallet med vinden. Andra energislag som exempelvis kemisk energi kan spontant omvandlas till värme - det är därför man inte bara ska lämna en trasa med linolja på var som helst. Gör man det ändå kommer den kemiska energin i linoljan spontant att börja omvandlas till värme och ljus - trasan börjar brinna. Värme i luften kan dock aldrig omvandlas till linolja, inte ens om alla ingående grundämnen finns tillgängliga.

När en process bara kan gå åt ett håll, som med linoljan, säger man att den är irreversibel. Det brukar innebära att entropin ökar under processens gång. Entropi är ett ganska abstrakt begrepp på många sätt men man brukar säga att det är ett mått på graden av oordning i ett system, ju högre entropi desto högre oordning. Entropin i ett slutet system kan aldrig minska om man inte tillför energi utifrån. Därför måste också den totala entropin i universum hela tiden öka.

Det lutar åt det tråkiga svaret...

Detta är visserligen långt utanför mitt område, men jag vill ändå dela med mig av ett pressmeddelande från CERN angående de snabbflygande neutrinerna från förra året. Neutriner är yttepyttesmå, neutrala elementarpartiklar med väldigt liten massa som samverkar väldigt lite med saker omkring dem. Förra året mätte en mätstation under namnet OPERA hastigheten på en puls av neutriner från CERN och kom fram till att de färdats dit med en hastighet som överskrider ljusets, vilket borde vara omöjligt enligt de teorier vi har idag om hur världen fungerar. Nu har en annan mätstation, ICARUS, gjort en mätning på en motsvarande puls av neutriner och fått en hastighet som underskrider ljusets. Dessutom har OPERA-projektet identifierat två mättekniska svårigheter som måste kontrolleras, vilket de tydligen ska göra någon gång i maj. Det lutar alltså åt att fysiken fungerar som vi trodde i det här fallet. Trots att det kanske varit roligare om Einstein haft fel...