Antwoorden bij de bundel natuurkunde nova hoofdstuk 3 water en lucht. Schrijf zo veel mogelijk vormen van water op die je kent. regen vloeibaar ijzel vast sneeuw vast ijs vast mist vloeibaar waterdamp gasvormig Welke van de vormen van water die je opgeschreven hebt zijn vast?omcirkel die vormen. Zie hierboven Hoe noemen we de water in de gasfase? waterdamp Wat is de fase van stroop? vloeibaar Wat is de fase van de rook van een sigaret? gasfase Welke vorm heeft een stof waarvan de moleculen heel sterk aan elkaar vast zitten? De vaste fase Welke vorm heeft een stof als de moleculen elkaar heel slap vasthouden? De gasvormige fase Wat moet je doen om de fase van een stof te veranderen? De temperatuur veranderen Wat denk je dat er met de moleculen in een vaste stof gebeurt als je de temperatuur gaat verhogen? Dan gaan de moleculen sneller trillen of bewegen Hoe kun je dan verklaren dat water vast wordt (bevriest) als de temperatuur afneemt? Dan gaan de moleculen steeds minder snel trillen en kunnen ze elkaar als het ware weer vasthouden. Leg uit waarom het water uit een pan verdampt als je de pan op het vuur zet. Dan gaan de moleculen zo snel bewegen dat sommigen elkaar loslaten. Dit gebeurt met name dicht aan de oppervlakte Leg uit waarom je boven een pan met kokend water stoom ziet. De waterdamp komt in aanraking met de koude lucht die erboven zit en koelt dus af en vormt kleine druppeltjes vloeistof 1 Van Gas naar Vloeibaar (en terug) Als je water kookt gaat het water van de vloeibare fase naar de gasvormige fase. De fase-overgang van vloeibaar naar gas noem je verdampen. Als je tegen een koude ruit ademt gaat de waterdamp uit je adem van de gasvormige fase naar de vloeibare fase. Deze fase-overgang van gas naar vloeibaar noem je dus condenseren. Bedenk een voorbeeld van het verdampen van een andere stof dan water. Bijvoorbeeld het verdampen van benzine of aceton (nagellakremover) Bedenk een voorbeeld van het condenseren van een andere stof dan water. Bijvoorbeeld alcohol Een bierglas wordt vaak aan de buitenkant ook nat. Probeer te verklaren hoe dit komt. Bier is koud en het bierglas dus ook. De lucht die om het bierglas heen zit wordt dus ook koud. In die kleine luchtlaag zit waterdamp. Omdat de luchtlaag kouder wordt gaan de waterdampmoleculen langzamer bewegen. Na een korte tijd bewegen ze zo langzaam dat het waterdamp gaat condenseren. 2 Stollen bij andere stoffen Bij water hebben ze de fase-overgang van vloeibaar naar vast een aparte naam gegeven. Hoe wordt de fase-overgang van vloeibaar naar vast bij water genoemd? bevriezen Hiernaast zie je aan afbeelding van een emmertje met vloeibaar goud. Wat hebben ze met het goud gedaan om het vloeibaar te krijgen? verwarmd Kun je elke stof vloeibaar maken? Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 1
Nee, hout bijvoorbeeld niet Wat zou je met lucht moeten doen om het vloeibaar te krijgen? Heel sterk afkoelen 3 Van gas naar vast en andersom. Bij welke vorm van neerslag is het water wel eerst (gedeeltelijk) vloeibaar geweest en daarna bevroren? ijzel Bij rijpen gaat de stof dus van degasfase.fase naar de vaste.fase. Welke fase-overgang hoort er bij ijzel?rijpen Wat is de fase van de geur die je ruikt?gasfase Welke fase-overgang heeft er dus plaatsgevonden. sublimeren 4 Een schema van alle fase-overgangen. We kunnen alles wat we nu geleerd hebben in een schema samenvatten. Dit schema noemen we de fase-driehoek. Geef de volgende woorden een plek in de fase-driehoek: Vloeibaar; Smelten; Stollen; Verdampen; Condenseren; Rijpen; Sublimeren GAS sublimeren rijpen condenseren verdampen smelten VAST stollen vloeibaar Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 2
Water en Lucht 2 Thermometers 5 Warmte en temperatuur Water uit de koude kraan. koud Na het schaatsen (als je handen ijsklompjes zijn geworden) je handen onder de koude kraan doen. warm Onder de douche van 40 graden. warm Na een dagje zonnebaden op het strand lekker onder de douche.koud s zomers in de schaduw. koud s winters in de zon warm Experiment 1 Voelt het lauwe water bij beide vingers even warm aan? nee Vind je een vinger geschikt om de temperatuur te meten?nee Waarmee kun je de temperatuur van een stof bepalen?met een thermometer De dichtheid van hete thee is kleiner dan de dichtheid van koud water. Water heeft een groter volume krijgt als het warm is. Leg uit hoe bij een thermometer het uitzetten gebruikt wordt om de temperatuur te meten.de alcohol wordt warm of koud en zet uit of krimpt. Welke afspraak heeft hij gemaakt voor de Celsius schaal? Als ijs smelt is het 0 graden celcius en als water kookt is het 100 graden Waarom heeft hij de schaal zo gekozen. Er is heel veel water en het is makkerlijk. Beschrijf hoe je een schaalverdeling zou kunnen maken op een thermometer. Eerst de thermometer in smeltend ijs zetten en dan een streepje zetten. Zet er 0 bij. Daarna de thermometer in kokend water zetten, een streepje zetten en er 100 bij zetten. Daarna de afstand tussen de streepjes opmeten en delen door 10. Je hebt dan de afstand van 10 graden celcius. Welk onderdeel van de thermometer moet je warm maken om de temperatuur te bepalen? reservoir Wat zal er aan de schaalverdeling van de thermometer veranderen als je een groter reservoir gebruikt? Leg uit. dan kan de thermometer een hogere temperatuur krijgen want er zit meer vloeistof in het reservoir. Ook zal bij dezelfde temperatuurstijging een grotere hoeveelheid vloeistof uit het reservoir omhoog gaan. De streepjes van de schaalverdeling kunnen dus verder uit elkaar zitten. Zou het ook te maken kunnen hebben met het uitzetten van water?leg uit. Ja. De oppervlakte van het water is warmer dan het diepere water. Daardoor zal dit water lichter worden en bovenin gaan drijven. Zouden we nog kunnen schaatsen als ijs zwaarder zou zijn dan water? Nee Op de bodem van een bevroren sloot ligt het zwaarste water (met de grootste dichtheid), welke temperatuur zal dat hebben? 4 C Waarom is het belangrijk om te voorkomen dat waterleidingen in de winter bevriezen. Omdat ze uitzetten als ze bevriezen en dan kunnen de leidingen knappen. Water en Lucht 3 Kookpunt en Smeltpunt 6 Werken met de brander Zet de onderstaande handelingen in de goede volgorde (zet een nummer voor de handeling) 7 gasregelknop lichtjes open 5 lucifer aansteken 1 brander pakken 2 gasslang aan gele kraan koppelen 6 brandende lucifer bij brander 8 gasregelknop ver open 3 controleren of regelknoppen dicht zitten 9 luchtregelknop open zetten 4 gele gaskraan open zetten Zet de onderstaande handelingen in de goede volgorde (zet een nummer voor de handeling) Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 3
1 luchtregelknop dicht zetten 6 gasslang loshalen van gele kraan 3 gele gaskraan dicht draaien 2 gasregelknop laag zetten 5 gasregelknop dicht draaien 4 vijf tellen wachten 7 brander terug zetten Waarom moet je eerst de gele gaskraan dicht draaien en daarna pas de gasregelknop? Omdat er nog wat gas in de slang zit en dat kan dan ook nog verbranden. Gaat het verwarmen van je twee keer zoveel water ook twee keer zo langzaam? Leg uit hoe je dat kunt controleren. Ja, in de grafiek is het hellingsgetal twee keer zo klein Tijdens het koken stijgt de temperatuur niet verder, toch wordt er nog energie toegevoegd. Waar gaat die energie in zitten?in het verdampen Wat zal langer duren: Het water aan de kook brengen of al het water verdampen? Het verdampen. Leg aan de hand van moleculen uit waarom een fase-overgang veel energie kost. De moleculen moeten eerst heel hard gaan bewegen. 7 Kookpunt en smeltpunt (Lees blz. 37 in Nova) Ligt het kookpunt van een vaste stof (bijvoorbeeld ijzer) hoger of lager dan het kookpunt van water. Leg duidelijk uit Hoger want ijzer kookt bij 2800 C Welke fase-overgang vindt er plaats als de temperatuur van boven het kookpunt naar onder het kookpunt daalt? condenseren In sommige gerechten wordt tijdens het koken wat wijn, sherry of een andere drank met alcohol toegevoegd. Dat geeft extra smaak, maar je zult er niet dronken van worden. Waarom niet?(kijk in de tabel hiernaast) Alcohol kookt bij 78 C en het eten wordt verwarmd bij 100 C (water). Wat zal er als eerste gebeuren als je lucht heel sterk afkoelt?welke fase-overgang is dat? Dan zal de stikstof gaan condenseren en zie je dus vloeibaar stikstof onstaan Wat is de fase van een stof als de temperatuur van die stof tussen het smeltpunt en het kookpunt inzit? vloeibaar Wat gebeurt er met de moleculen van een stof als de temperatuur tot onder het smeltpunt daalt? gaan ze op een vaste plaats bewegen Welke stoffen uit de tabel zijn bij kamertemperatuur vloeibaar? Alcohol, benzine, kwik, petroleum, water Nadenken over kookpunt en smeltpunt. Als je het kookpunt en smeltpunt van een stof kent, kun je veel vragen over de fase van een stof oplossen. Hieronder kom je een aantal van die vragen tegen. In thermometers wordt vaak alcohol gebruikt, leg uit waarom. Het is ongevaarlijk als de themometer valt, en de alcohol blijft tot 114 C vloeibaar Lucht bestaat vooral uit stikstof en zuurstof. Als je lucht langzaam afkoelt zal één van deze stoffen als eerste condenseren. Welke? stikstof Welke zal als eerste bevriezen? stikstof Welke temperatuur heb je nodig om goud te laten verdampen? 2860 C Kouder kan niet (Lees blz. 38 in Nova) Wat zal er met de beweging van de moleculen gebeuren op het absolute nulpunt? Die staan helemaal stil. Waarom zou het zo moeilijk zijn om precies 0 K te bereiken? Omdat dan de meleculen van de meetapparatuur ook stilstaan. Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 4
0 Kelvin komt dus overeen met -273 graden Celsius. Hoeveel Kelvin komt overeen met 20 C? 293 K Vul in: 373 K = 100 C Water en Lucht 4 Lucht 8 Wat zit er in lucht? elke stof uit de lucht hebben we nodig om in leven te blijven? Zuurstof Welk gas uit de lucht gebruiken planten voor de productie van zuurstof? Koolstofdioxide Wat was de echte reden dat de kaars doofde? De zuurstof raakt op 9 Andere planeten Waarom kun je op Mars en Venus niet overleven zonder ruimtepak? Er is geen of bijna geen zuurstof Welke stof komt in een hele hoge concentratie voor op beide planeten? Koolstofdioxide Kun je verklaren waar al dat CO 2 gebleven is? Door de planten. Bij fotosynthese halen planten CO 2 uit de lucht en ontstaat er zuurstof. Wat zou je op Venus en Mars moeten brengen om daar de zuurstofconcentratie in de atmosfeer omhoog te brengen? Planten of bomen laten groeien Hoe kun je beredeneren dat deze CO 2 vroeger ook al in de atmosfeer heeft gezeten? Fossiele brandstoffen zijn overblijfselen van bomen en planten die door de hoge druk overgegaan zijn in olie, steenkool en aardgas. Die planten hebben vroeger veel CO 2 uit de atmosfeer gehaald. 10 Een laag lucht om de aarde (Lees blz. 40 in NovA) Op welke hoogte vliegen de vliegtuigen? 10 km Wat is de temperatuur op 2 km hoogte? Ongeveer 20 C Tot welke hoogte komen wolken voor? Iets minder dan 10 km Waar zitten de deeltjes het dichts op elkaar? Dichtbij de aardkorst of ver van de aardkorst? Waarom denk je dat? Dciht bij de aardkorst. Daarboven zitten heel veel lcuthdeeltjes die op die luchtlaag vlakbij de aardkorst drukken Waarom kun je met dit model de luchtlaag om de aarde goed vergelijken. Omdat 1 spons ook heel licht is maar heel sponzen niet. Leg uit waarom alpinisten vaak zuurstof meenemen op hun klimtocht. Omdat er te weinig zuurstof is in hoge bergen. Wat is de diameter van de aarde met luchtlaag? 13000 km De cirkel die op deze bladzijde getekend is heeft een diameter van 12,8 cm. Het is een voorstelling van de Aarde in schaal 1 op 100 miljoen. Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 5
Hoe dik is de luchtlaag in deze schaal? 0,1 cm = 1 mm Vind je dat iemand die 100 km van de Aarde weg is geweest mag zeggen dat hij in de ruimte is geweest? 100 km is het grensgebied. Afhankelijk van het argument kun je ja of nee zeggen. 11 Geen lucht Wat zit er in een leeg glas? Lucht In de voedselindustrie wordt met vacuüm gewerkt. Kun je een voorbeeld noemen? Koffie wordt vacuüm verpakt. Wat zou er gebeuren als met een vacuüm verpakt pak koffie, als je dat meeneemt in de ruimte? Die zou uit elkaar spatten 12 Luchtdruk voelen Waar zul de luchtdruk het grootst zijn? Dichtbij de aardkorst of ver ervan af? Waarom denk je dat? Dicht bij de aardkorst omdat daar alle lucht van de luchtlagen erboven opdrukt. 13 De kracht van lucht De jerrycan op de foto is aangesloten op een pomp die vrijwel alle lucht uit de jerrycan heeft weggepompt. De jerrycan is er niet mooier op geworden. Welke kracht heeft de jerrycan in elkaar geduwd? De luchtdruk buiten de jerrycan want die drukt met een grotere kracht op de jerrycan dan de luchtdruk die van binnen naar buiten drukt. Welke (twee) krachten waren er voordat de lucht werd weggepompt? De luchtdruk buiten de jerrycan en de luchtdruk binnen de jerrycan. Demonstratie Vacuümpomp Wat gebeurt er met de ballon onder de vacuümstolp? Hoe komt dat? Die wordt groter omdat de lucht in de stolp wordt weggezogen. Daardoor wordt de luchtdruk lager en wordt de luchtdruk binnen de ballon op een gegeven moment groter Kun je de stolp van het tafeltje aftillen als de lucht eruit is? Waarom niet? Nee want de luchtdruk buiten de stolp duwt als het ware tegen de onderkant aan Waar betaal je dus vooral voor, als je een pak negerzoenen koopt? Lucht 14 Druk en tegendruk (lees blz. 41 in Nova) Hoe groot is de luchtdruk in je longen vergeleken met de buitenluchtdruk? Hoe weet je dat zeker? Even groot anders zouden je longen inklappen Wat zou er met je lichaam gebeuren als je zonder ruimtepak de ruimte ingaat? Uit elkaar knappen 15 Luchtdruk meten Leg uit dat in de getekende situatie de druk in de ballon groter moet zijn dan de druk van de buitenlucht. Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 6
Het vloeistofniveau is aan de linkerkant groter dan aan de rechterkant. Dat kan alleen maar als de luchtdruk aan de rechterkant de vloeistof naar beneden duwt. Wat zal er met het waterniveau gebeuren aan de linkerkant als je aan de rechterkant een pompje aansluit, waarmee je de lucht wegzuigt. Gaat naar beneden Leg uit hoe een barometer de luchtdruk kan meten. Als de luchtdruk groter wordt zal de vacuumkamer ingedrukt worden. Daardoor zal de hefboom in het midden naar beneden gaan en aan het uiteinde (aan de rechterkant op het plaatje) omhoog komen. De spoel zal dan strakker komen te staan en de wijzer gaat naar rechts. 16 Eenheden voor druk (Lees blz. 42 en 43 in Nova) Hoeveel millimeter komt de waterkolom omhaag bij een druk van 1 Pascal? 10000 Pa = 1 m = 1000 mm 1 Pa = 0,1 mm Hoeveel Pascal is 1 hectopascal? 100 Hoeveel millimeter komt de waterkolom omhoog bij een druk van 1 hpa? 100 0,1 = 10 mm Hiernaast zie je een gedeelte van een weerkaart voor Europa. De getallen geven de luchtdruk aan in hectopascal. Wat is de hoogste en wat is de laagste de luchtdruk op de kaart? (uitgedrukt in hectopascal) Laagste is 980 hpa en hoogste is 1025 hpa Als je een kolom met water zou maken die dezelfde druk levert als de gemiddelde buitenluchtdruk, hoe hoog zou de waterkolom dan worden? 1 hpa = 10 mm 1010 hpa = 1010 10 = 10100 mm = 10 m Waarom denk je dat ze de omrekening zo gekozen hebben? Makkelijk omrekenen Als je in de weerkaart de luchtdruk in bar zou moeten neerzetten. Door welk getal moet je dan alle getallen die nu in de weerkaart staan delen? 1000 Hoeveel hpa komt overeen met 1 millibar? 1 hpa Nu wordt het even tijd om alles in een overzicht te zetten. Vul het overzicht hiernaast in en maak daarna de onderstaande omrekensommen. a. 970 hpa = 0,97.bar b. 2 millibar = 200 Pascal c. 3,5 meter water = 35350..Pascal d. 1380 millibar = 1,38.bar e. 540 Pascal = 5.,4 millibar 17 Luchtduk en hoogte Wat wordt er eigenlijk gemeten door het horloge? De luchtdruk Welke luchtdruk wordt er gemeten door het horloge? De luchtdruk op een hoogte van 750 m Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 7
Waarom loopt de lijn in de grafiek naar beneden? Als je omhoog gaat wordt de luchtdruk lager. Experiment 5 Stromende lucht Wat gebeurt er? Het papier in het midden gaat naar beneden Wat kun je nu zeggen over de luchtdruk van stromende lucht? Die is lager Waarom lukt het niet om de helften weer te scheiden? Omdat er weinig lucht in de bollen zit. Daardoor is de luchtdruk laag. De luchtdruk buiten de bollen is dus hoog en die drukt met veel kracht op de bollen. Demonstratie Een frisdrankblikje afkoelen Omschrijf zo goed mogelijk wat je ziet gebeuren. Het blikje implodeert of klapt ineen net als de jerrycan. Wat zit er in het blikje voor het verwarmen. (1) Lucht Wat zit er in het blikje als het water eenmaal een tijdje kookt? (2) Waterdamp Wat zit er in het blikje als het ondergedompeld is. (3) water Welke fase-overgang vindt er dus plaats als het blikje ondergedompeld wordt? Condensatie Probeer nu te verklaren waarom het blikje implodeert. Bij waterdamp zitten de moleculen veel verder uit elkaar dan in water en nemen dus veel meer ruimte in. Als de temperatuur lager wordt doordat het blikje ondergedompeld wordt in een bak met water gaan de moleculen zoveel langzamer bewegen dat de stof overgaat in water. Water is vloeibaar en neemt veel minder ruimte in. De druk wordt dus lager dan de druk van buiten en het blikje implodeert. Wat zou er gebeuren als je het blikje met de opening naar boven onderdompelt? Niks. Het blikje wordt wel afgekoeld en een deel van het waterdamp zal ook condenseren maar er zullen ook luchtmoleculen door de opening naar binnen gezogen worden. Water en Lucht 6 Dauwpunt 18 Water in de lucht Tussen welke temperaturen was water ook alweer vloeibaar? 0 C en 100 C Noem twee voorbeelden waaraan je kunt zien dat er water in de lucht zit. Als het mistig is en als het geregend heeft is het na verloop van tijd weer droog. Welke lucht kan meer waterdamp bevatten, warme of koude?waarom denk je dat? Warme omdat warme lucht een groter volume heeft Waarom ontstaat er vaak mist als het overdag warm is geweest en s nachts koud? Koude lucht kan minder waterdamp bevatten en dan zal een deel van de waterdamp condenseren. Als de lucht veel waterdamp bevat, zal het dauwpunt dan hoog of laag liggen, leg uit. Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 8
Hoog. Stel dat er zoveel waterdamp in de lucht zit dat er niet meer bij kan. Als er nog ietsje meer bij komt gaat de waterdamp condenseren. 19 Vochtigheid meten De vochtigheid in de lucht kun je ook meten. Op de foto zie je een digitaal weerstation, dat zowel binnen als buiten de temperatuur aangeeft: Buiten is koud en vochtig: 4 C en 84% luchtvochtigheid Binnen is het warm en droog: 21 C en 45% luchtvochtigheid Hoeveel gram waterdamp per m³ kan lucht maximaal bevatten bij een temperatuur van 21 C? 20 gram Hoeveel gram waterdamp per m³ bevat de lucht in het huis waar het weerstation staat? 45/100 20 = 9 gram Bevat de buitenlucht in het voorbeeld meer of minder water per m³? Bij 4 C is de maximale hoeveelheid waterdamp 6 gram. Er zit 84% waterdamp in de lucht dus 84/100 6 = 5,04 gram. Er zit dus minder water in. Wat zal de vochtigheidsmeter (buiten) aangeven als het regent? 100% 20 Dauwpunt Wat gebeurt er bij een relatieve luchtvochtigheid van 100%? Dan condenseert het waterdamp in de lucht. Leg uit waarom de lijn omhoog loopt. Als de temperatuur omhoog loopt kan de lucht meer waterdamp bevatten. Is dit een rechtevenredig verband, hoe zie je dat? Nee want dan zou het een rechte lijn moeten zijn Kan deze lucht nog meer waterdamp bevatten?hoe zie je dat? Bij 28 C kan de lucht 28 gram waterdamp bevatten (aflezen) er kan dus nog meer waterdamp bij. Tot welke temperatuur zal het moeten dalen, voordat de lucht gaat condenseren? 13 C 21 Wolken en regen (lees blz. 46 en 47 in Nova) Wolken bestaan uit allemaal hele kleine waterdruppeltjes, eigenlijk dus gecondenseerde waterdamp. Een wolk waaruit bijna regen komt bevat iets grotere waterdruppeltjes. Hoe kun je dat zien aan een wolk? Die wolken zijn grijs Wat gebeurt er tijdens het stijgen met de temperatuur van de luchtbel? Die wordt lager Wat gebeurt er dan met de waterdamp uit de lucht? Die gaat condenseren Leg nu in een paar stappen uit hoe wolken ontstaan. Warme lucht stijgt op doordat op sommige plekken de aarde warmer is dan op andere plekken. De lucht koelt af en kan minder waterdamp bevatten. Als de luchttemperatuur lager is geworden dan het dauwpunt zal de waterdamp in de lucht gaan condenseren. 22 Drukkend weer Leg uit waarom de vochtigheid ervoor zorgt dat het drukkend aanvoelt. Als je zweet zitten er waterdruppels op je lichaam. Als de luchtvochtigheid laag is kunnen die waterdruppels of zweetdruppels makkelijk verdampen en koelt je lichaam af. Als de Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 9
luchtvochtigheid hoog is kan de lucht geen waterdamp bevatten en kan het zweet ook niet verdampen en koelt je lichaam dus niet zo goed af. Hoofdstuk 3 - Water en Lucht 10