Varför smäller inte ballongen?

Kemisk bakgrund

Värme

Stearinljus som brinner är en förbränningsreaktion. Reaktionen är exoterm, d v s värme avges till omgivningen. Värme är en energiform som hör samman med atom- och molekylrörelserna i materialet.

Värmetransport

När värme överförs sker det alltid från ett system med högre temperatur (t.ex. lågan) till ett annat system med lägre temperatur (luften). Värmeenergi tecknas som Q och mäts i enheten Joule.

I experimentet strålar värme från ljuset ut till den omgivande luften och till det upplåsta gummit i ballongen. De varma luftpartiklarna stöter emot det fasta gummit vars partiklar börjar vibrera häftigare. Ballong I omges endast av den glesa luften och tar emot mer värme än det hinner avge till omgivande molekyler. Ballongen som är utsträckt och tunn behöver en liten mängd energi för att bryta sina bindningar och spricka upp. Smällen som hörs kommer från tryckförändringen när luften inuti ballongen trycks ut.

Värmeledning räddar ballongen med vatten

Värme kan ledas genom olika material och ju tunnare materialet är desto snabbare leds det. Gummihinnan i ballongen leder värmet mycket bra eftersom den är så tunn och i ballong II leds värmet vidare till vattnet inuti ballongen. Vattnet tar emot värmen och vattenmolekylerna får ökad rörelseenergi. Den värme som ballongen tar emot från ljuset leds alltså vidare till vattnet och hindrar därmed ballongen från så het att den spricker.

Vattnet i ballongen blir inte över 100 grader så länge det förekommer som vätska och därför blir inte gummit det heller. 100 grader är en temperatur som gummit tål och spricker inte. Av samma anledning kan vatten kokas upp i en pappersmugg. Pappen är tunn och leder värmen till vattnet som ju inte blir varmare än 100 grader, en temperatur som pappersmuggen tål.

Aggregationsformer och temperatur

Vatten i vätskeform blir inte mer än 100 grader (vid normalt lufttryck). Vid 100 grader har vattenmolekylerna tillförts så mycket energi, i form av rörelseenergi, att vätebindningarna som håller ihop vätskan brutits. De molekyler som har högst rörelseenergi lämnar vätskan som gas och kvar blir de långsammare och energifattigare. All extra värme som tillförs åtgår till att förånga resterande molekyler. Därför blir vattnet inuti ballongen aldrig över 100 grader. Temperaturen ändras inte fastän mer energi tillförs.

Motsvarande gäller när vattnet fryser till fast form vid 0 grader. Värme avgår då från vattnet och molekylerna rör sig alltmer långsamt. Vid 0 grader har molekylerna så låg rörelseenergi att de inte längre kan röra sig som i en vätska utan får en bestämd plats i iskristallen. Krafterna från värmerörelsen räcker inte att bryta bindningarna mellan molekylerna.

Värmekapacitet

Det krävs relativt mycket värme för att öka vattnets temperatur. Vatten sägs därmed ha en hög specifik värmekapacitet. Värmekapaciteten är förhållandet mellan den värme vi tillför ett ämne och den temperaturstigning föremålet får.

C = Q/dT
där C är värmekapaciteten, Q är värmet och T är temperaturen.

Värmekapaciteten beror på mängden av det ämne som värms upp. T ex så har 2 kg vatten dubbelt så stor värmekapacitet som 1 kg vatten. För att ta reda på den specifika värmekapaciteten för ett ämne divideras ämnets värmekapacitet med ämnets massa. Olika aggregationstillstånd inom samma ämne har också olika specifik värmekapacitet. Vatten värmekapacitet i fast fas (is) är 2,2 kJ/(kg °C) jämfört med i vätskeform 4,18 kJ/(kg °C).

Om du någon gång försökt äta en het pizza så har du känt skillnaden mellan olika ämnens värmekapacitet. Du bränner dig på såsen men kan lugnt äta brödkanten runt om.

När ämnet byter aggregationstillstånd, t ex då en vätska övergår till gasform, påverkar inte den tillförda värmen temperaturen. För att beräkna mängden energi som går åt för att värma ett ämne från flytande fas till gas måste man förutom att ta hänsyn till energin som krävs för att höja temperaturen även räkna med den energi som krävs för att byta aggregationstillstånd.

Värmetransport

Spontana processer leder (vanligtvis) till större oordning

Runt omkring oss sker vissa processer spontant medan andra inte gör det. "Spontan" betyder att något sker av sig själv utan att man behöver ingripa på något sätt. Man har sett att spontana processer leder alltid till ökad oordning i universum och partiklar. Det är en statistisk effekt som kan jämföras med att om du blandar en kortlek så är chansen större att korten hamnar i oordning än att de skulle hamna i ordning [hjärter ess, hjärter två, hjäjrter tre, ..., spader ess, spader två, ...].

Kemiskt kan man ta exemplet med två lösningar, en med och en utan lösta hushållsfärgmolekyler. Om lösningarna kommer i kontakt med varandra, t.ex. genom att vi plockar bort en skiljevägg, så kommer färgmolekylerna att vandra slumpmässigt (diffusion) på ett sådant sätt att koncentrationen av färg till slut blir lika hög överallt i hela bägare. Det innebär att ordningen med hög och låg koncentration för sig förändras mot en blandning med större oordning. Motsatsen, att färgmolekylerna i en lösning spontant skulle dela upp sig med all färg i ena halvan av bägaren, har aldrig någonsin observerats.

Entropi (S) är det vetenskapliga måttet på graden av oordning.

Värmetransporten sker från den varma till den kalla kroppen

Principen att spontana processer leder till större oordning, dvs högre entropi, gör att den spontana värmetransporten sker från den varma kroppen värme till den kallare. Värmet som först var ordnat i ett varmt och ett kallt område blandas, vilket innebär förändring från ordning till oordning. Motsatsen inträffar aldrig spontant.

I kemiska reaktioner inverkar även energin

Alla typer av spontana processer kan förklaras på liknande sätt. Men vid en kemisk reaktion ändras ämnenas egenskaper och det är krångligare att förklara spontaniteten. Om entropin ökar och energi avges så kan man dock vara säker på att processen är spontan (eventuellt behövs lite värme för att den ska komma igång). Ifall entropi- och enerigfförändringarna moteverkar varandra så kan man inte utan vidare säga om processen är spontan eller inte.

Ett exempel på en spontan kemisk reaktion är järn som rostar.

Metaller leder värme bra

Metaller som är fasta i rumstemperatur utgörs av en ordnad samling av atomer som omges av lättrörliga elektroner. De lättrörliga elektronerna bildar ett gemensamt elektronmoln för hela metallstycket. Bindningarna är inte riktade åt något håll och hela grupper av atomer kan förskjutas så att metallstycket deformeras. Då metallen blir varm och atomerna vibrerar får även elektronerna energi och sprider denna genom att kollidera med en granne och till slut en avlägsen atom som även den börjar vibrera häftigare. De rörliga elektronerna är effektiva transportörer av värme.

I hemmet använder vi gärna aluminiumkastruller eftersom de leder värme från spisen bra. Vatten leder värme bättre än luft men mycket sämre än aluminium.

Naturgummi

Latex är råvara för som används i ballonger

Ballonger tillverkas av gummisaften latex. Latex är en vitaktig vätska som finns under barken på gummiträdet Hevea brasiliensis. Efter ett snitt i barken sipprar latexen ut och kan samlas upp och användas. Latex innehåller proteiner,vatten och polymeren polyisopren mm. Polyisopren är den molekyl som ger gummit den elastiska egenskapen. Om du sträcker ut gummit och sedan släpper det, går det genast tillbaks till sitt ursprungliga läge.

Numera tillverkas större delen av polyisopren syntetiskt, men naturgummit har särskilt goda egenskaper som gör att det fortfarande är en viktig råvara. Nuturgummit är ofta starkare än det syntetiska alternativet och skonsammare mot metaller. Större delen av polyisoprenen används i bildäck.

Fördjupning