Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9

21Smelten en koken: veranderingen van toestand

Je weet al jaren dat warmte ijs smelt en water aan de kook brengt. Maar nu heb je een thermometer — en de thermometer heeft iets verbazingwekkends te melden vanuit de emmer met smeltend ijs: terwijl het ijs smelt, weigert de temperatuur te bewegen. Laten we de oude toestandsveranderingen met nieuwe ogen bekijken.

21.1 De officiële namen

De toestandsveranderingen van water krijgen nu hun volwassen namen, die voor elke stof gelden en niet alleen voor water. Van vast naar vloeibaar: smelten. Van vloeibaar terug naar vast: stollen (bij water ook bevriezen genoemd). Van vloeibaar naar gas: koken als het snel gaat met grote bellen, verdampen als het rustig vanaf het oppervlak gebeurt. Van gas terug naar vloeibaar: condenseren. Elke stof ter wereld — water, chocola, ijzer, goud — kan dit spel spelen, elk bij zijn eigen temperaturen.

Definitie 21.1 (Smeltpunt)

Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij ze smelt — en tevens de temperatuur waarbij de vloeistof weer stolt. Voor water is dat $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Elke stof heeft haar eigen smeltpunt: chocola smelt rond $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (mondtemperatuur — geen toeval, vraag het maar aan een chocolatier), kaarsvet rond $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , ijzer pas bij $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Definitie 21.2 (Kookpunt)

Het kookpunt van een stof is de temperatuur waarbij ze kookt. Voor water is dat $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Ook hier heeft elke stof haar eigen punt — en daarom kan een zorgvuldige kok water laten wegkoken terwijl de olie in dezelfde pan rustig vloeibaar blijft.

Voorbeeld 21.3 (De wereld lezen met twee getallen)

Waarom is een reep chocola vast in het schap ( $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) maar vloeibaar in je zak tijdens een zomerwandeling ( $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ )? Omdat haar smeltpunt, rond $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , tussen die twee in ligt. Een stof is vast onder haar smeltpunt en vloeibaar erboven — tot aan haar kookpunt, waar ze als gas vertrekt. Twee getallen vertellen het hele verhaal van elke stof bij elke temperatuur.

21.2 De koppige thermometer

Methode 21.4 (IJs zorgvuldig zien smelten)

Vul een kom met gemalen ijs of sneeuw en plant de thermometer erin; wacht en lees af: $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ;
breng de kom naar de warme keuken en lees de thermometer om de paar minuten af terwijl het ijs smelt;
blijf aflezen tot lang nadat de laatste ijsschilfer is verdwenen.

Het verslag: de hele smelttijd door — water en ijs samen in de kom — blijft de thermometer koppig op $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ staan. Pas als het laatste stukje ijs gesmolten is, begint de temperatuur te klimmen.

Propositie 21.5 (De plateauwet)

Terwijl een stof van toestand verandert — smelt of kookt — staat haar temperatuur stil op de mijlpaal, hoe hard het fornuis ook werkt. Alle binnenkomende warmte gaat op aan de toestandsverandering zelf, en niets aan klimmen. Vast en vloeibaar wonen samen op het smeltpunt; vloeibaar en gas op het kookpunt.

Een pan ijs op een gelijkmatig fornuis, verteld door de thermometer: de temperatuur klimt, blijft staan op 0\, C terwijl het ijs smelt, klimt weer, en blijft staan op 100\, C terwijl het water wegkookt. (De laatste rode klim hoort bij de damp.) — Een pan ijs op een gelijkmatig fornuis, verteld door de thermometer: de temperatuur klimt, blijft staan op $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ terwijl het ijs smelt, klimt weer, en blijft staan op $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ terwijl het water wegkookt. (De laatste rode klim hoort bij de damp.)

Flink doorkoken: er ontstaan bellen waterdamp in de vloeistof die aan het oppervlak uiteenspatten — en al die tijd staat de thermometer stil op het kookpunt.

Voorbeeld 21.6 (Het plateau in de keuken)

Daarom koken zachtjes pruttelend en woest bruisend water de pasta even snel gaar: beide pannen staan op precies $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — de woeste verspilt haar extra warmte alleen aan sneller damp maken. En daarom blijft een drankje met ijsblokjes tot de laatste schilfer op $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : het smeltende ijs pint de temperatuur vast op de mijlpaal.

Opmerking 21.7 (Een getal dat het oog niet ziet)

Zonder thermometer zou niemand het plateau vermoeden: de pan ziet er almaar drukker uit, de ijsemmer almaar rustiger, en in allebei staat de temperatuur muurvast. Het is opnieuw een overwinning van meten op schijn — en een van de eerste grote verrassingen die instrumenten de wetenschap ooit hebben aangereikt.

21.3 Elke stof houdt haar mijlpalen

Propositie 21.8 (Mijlpalen zijn kenmerken)

Het smeltpunt en het kookpunt van een zuivere stof veranderen nooit: water smelt vandaag bij $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , morgen ook, in een paleis of in een tent. De mijlpalen horen bij de identiteit van de stof — zo trouw dat een wetenschapper een onbekende stof kan herkennen door te meten waar ze smelt en kookt.

Voorbeeld 21.9 (De kaars en de gieterij)

Een kaars bij de open haard zakt in en druipt: kaarsvet gaat rond $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ voorbij zijn smeltpunt. In een gieterij schenken arbeiders gloeiend oranje vloeibaar ijzer als soep — hun oven ging voorbij $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Hetzelfde spel, met wild verschillende mijlpalen: wat de haard met kaarsvet doet, kan alleen een oven met ijzer. En goud smelt bij $1064\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : goudsmeden kennen dat getal, met hun handen zo niet in graden, al duizenden jaren.

Mijlpalen van een paar alledaagse stoffen, in graden Celsius (de lijn is samengedrukt — het streepje van ijzer staat in werkelijkheid vijftien keer verder dan dat van water). Elke stof draagt haar eigen getallen, altijd.

21.4 Oefeningen

Oefening 21.1 ★

Geef de officiële naam: vast naar vloeibaar; vloeibaar naar vast; vloeibaar naar gas met grote bellen; gas naar vloeibaar op een koud raam.

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.1.

Smelten; stollen (bevriezen); koken; condenseren.

Oefening 21.2 ★

Wat zijn de twee mijlpalen van water, met hun temperaturen? En het smeltpunt van chocola, ruwweg?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.2.

Smeltpunt $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , kookpunt $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Chocola smelt rond $34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — mondtemperatuur.

Oefening 21.3 ★

In een kom zitten ijs en water samen, goed geroerd. Wat leest de thermometer af? Wat leest hij vijf minuten later af, als er nog wat ijs over is?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.3.

$0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — en vijf minuten later nog steeds $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : zolang ijs en water samenwonen, staat de temperatuur vastgepind op het smeltpunt.

Oefening 21.4 ★

Formuleer de plateauwet. Waar gaat de warmte van het fornuis heen terwijl het water kookt, nu de temperatuur niet meer klimt?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.4.

Terwijl een stof smelt of kookt, staat haar temperatuur stil op de mijlpaal. De warmte gaat helemaal op aan de toestandsverandering zelf — vloeistof in damp veranderen — en niet aan klimmen.

Oefening 21.5 ★

Kaarsvet smelt rond $60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Is een kaars vast of vloeibaar: in een woonkamer van $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ? naast een vlam die hem tot $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ verwarmt? op een zomerse zolder van $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.5.

Vast bij $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (onder $60$ ); vloeibaar bij $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (boven $60$ ); nog steeds vast bij $35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — terwijl een reep chocola in je zak daar al gesmolten zou zijn.

Oefening 21.6 ★

Pasta kookt in zachtjes pruttelend water. Papa draait de vlam op de hoogste stand en de pan bruist woest. Is het water nu heter? Wat maakt de extra warmte in plaats daarvan?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.6.

Niet heter: beide pannen staan op $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , het kookplateau. De extra warmte maakt alleen sneller damp — verspilde vlam, dezelfde pasta.

Oefening 21.7 ★

Hoe herken je op de plateaugrafiek uit het hoofdstuk de twee toestandsveranderingen zonder ook maar één woord te lezen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.7.

Aan de twee vlakke stukken — de plateaus. Overal waar de kromme horizontaal loopt terwijl het fornuis blijft verwarmen, is een toestandsverandering aan de gang.

Oefening 21.8 ★

IJzer smelt bij $1538\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en goud bij $1064\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Een oven draait op $1200\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : welk van de twee metalen schenk je daarin als soep, en welk blijft vast? Met hoeveel graden komt de oven bij het andere tekort?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.8.

Goud ( $1064 < 1200$ ) schenk je uit; ijzer ( $1538 > 1200$ ) blijft vast. De oven komt bij de mijlpaal van ijzer $1538 - 1200 = 338$ graden tekort.

Oefening 21.9 ★

Waarom blijft een drankje met ijsblokjes tot de laatste ijsschilfer even koud — en begint het pas daarna op te warmen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.9.

Smeltend ijs pint het drankje vast op $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : alle binnenkomende warmte gaat op aan het smelten van ijs, en niets aan het opwarmen van het drankje. Pas als de laatste schilfer weg is, kan de temperatuur beginnen te klimmen.

Oefening 21.10 ★★

Een wetenschapster krijgt een onbekende witte vaste stof. Ze vindt dat die precies bij $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ smelt en dat de vloeistof precies bij $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ kookt. Wat is haar beste gok over de stof — en welke wet maakt van mijlpalen identiteitskaarten?

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.10.

Haar beste gok: de stof is ijs — bevroren water. De wet dat mijlpalen kenmerken zijn: het smelt- en kookpunt van een zuivere stof veranderen nooit, dus twee getallen die precies met die van water kloppen zijn zo goed als een handtekening.

Oefening 21.11 ★★

Bergbeklimmers melden dat water hoog op grote toppen kookt terwijl het net te heet is om aan te raken — en dat hun thee nooit goed trekt. Welke alledaagse zekerheid over kokend water gaat daarboven onderuit? (De reden zit verstopt in de lucht zelf, en een later hoofdstuk over luchtdruk zal haar te pakken krijgen.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 21.11.

De zekerheid dat water altijd bij $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ kookt. Hoog op een top kookt het ruim daaronder — heet, maar geen $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ — zodat het “kokende” water te koel is om thee goed te laten trekken. De boosdoener is de ijlere lucht die minder op het water drukt, zoals het hoofdstuk over luchtdruk zal laten zien.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 393 begrippen in de begrippenlijst