Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9

39Water in al zijn toestanden

Je jaagt al sinds je tweede schooljaar op water in zijn toestanden: ijs, water, damp; smeltende sneeuwpoppen en beslagen ramen. Dit jaar wordt de jacht boekhouding. Gaat er stof verloren als ijs smelt? Waarom barsten leidingen als water bevriest? Met balansen en maatcilinders in de hand controleren we alle drie de toestanden van water.

39.1 De drie toestanden, met hun officiële etiketten

Definitie 39.1 (De zes toestandsovergangen)

Tussen zijn drie toestanden heeft water zes deuren, elk met een wetenschappelijke naam:

vast $\to$ vloeibaar: smelten; vloeibaar $\to$ vast: stollen (bevriezen);
vloeibaar $\to$ gas: verdamping — razendsnel bij het koken, stil en koel als verdamping aan het oppervlak; gas $\to$ vloeibaar: condensatie;
vast $\to$ gas rechtstreeks: sublimatie, en gas $\to$ vast rechtstreeks — zeldzamere deuren, maar echt: ijsbloemen op een vriezend raam groeien rechtstreeks uit onzichtbare damp en slaan de vloeistof helemaal over.

De zes deuren van water, met hun officiële namen. Warmte opent de rode deuren; kou opent de blauwe.

Voorbeeld 39.2 (Overal deuren om je heen)

Ochtendrijp die van het gras smelt; was die aan de lijn verdampt; een koude spiegel die de damp van je douche laat condenseren; de vriezer die de ijsblokjes van morgen laat stollen; ijsbloemen die ’s nachts op de ruit zijn gegroeid. Eén stof, zes deuren, allemaal binnen één dag gewoon leven — benoem ze en je bezit ze.

39.2 De controle: gaat er stof verloren?

Methode 39.3 (Een toestandsovergang wegen)

Leg de vraag voor aan de balans:

giet wat water in een klein plastic flesje, draai de dop stevig dicht en droog de buitenkant af;
weeg het: zeg $368\,\mathrm{g}$ — schrijf het op;
leg het een nacht in de vriezer: stollen;
weeg het bevroren flesje meteen (veeg eventuele rijp eraf).

De balans antwoordt: $368\,\mathrm{g}$ , tot op de gram. Laat het op de vensterbank weer smelten en weeg opnieuw: $368\,\mathrm{g}$ . De toestand veranderde twee keer; de stof kneep geen oog dicht.

Propositie 39.4 (Massa overleeft toestandsovergangen)

Een toestandsovergang verandert het uiterlijk van een stof, niet haar hoeveelheid: de massa ervóór is precies gelijk aan de massa erna. Smelten, bevriezen, koken in een afgesloten pan, condenseren — door elke deur leest de balans hetzelfde. (Laat de dop er echter af, en damp trekt weg met haar grammen: de stof bestaat nog steeds, maar je controle bevat haar niet meer.)

Voorbeeld 39.5 (Waar de grammen van de plas heen gingen)

Een plas van $300\,\mathrm{g}$ droogt op. Verdwenen? Niets meer waard? Nee: $300\,\mathrm{g}$ water rijdt nu als onzichtbare damp op de lucht, elke gram intact — een deel om volgende week als regen te vallen. Verdamping houdt het oog voor de gek, nooit de boekhouding. De krijtlijn van je plassenproef uit je kindertijd was een controle; nu heeft ze getallen.

39.3 De controle: blijft de ruimte gelijk?

Propositie 39.6 (Water zwelt als het bevriest)

Massa overleeft de deuren — volume niet. Water is een merkwaardige stof: als het vast wordt, zet het uit. Een liter water maakt ongeveer $1.1$ liter ijs: dezelfde massa, ongeveer een tiende meer ruimte. De meeste stoffen krimpen als ze stollen; water zwelt — en die eigenaardigheid hertekent landschappen.

Het bevroren flesje: de balans onveranderd, het niveau hoger. Bevriezen behoudt de stof en eist meer ruimte.

Voorbeeld 39.7 (De gesprongen leiding en de gebarsten berg)

Vergeten in de vriezer barst een volle glazen fles water: het zwellende ijs heeft zijn extra tiende ruimte nodig en neemt die, glas of geen glas. De winter doet hetzelfde met leidingwerk — water dat in een pijp bevriest laat hem net zo zeker springen als een hamer — en met bergen: regen sijpelt in scheuren in het gesteente, bevriest ’s nachts, zwelt op en wigt de scheur wijder. Jaar na jaar, vorst na vorst, splijt het rare kleine zwellen van Propositie 39.6 zwerfkeien en verkruimelt het bergtoppen.

Opmerking 39.8 (Waarom ijs drijft)

Dezelfde eigenaardigheid beantwoordt een vraag die je jaren geleden in bad stelde. IJs bevat de stof van een liter in $1.1$ liter ruimte: voor gelijke ruimte is ijs lichter dan water — dus drijft ijs op zijn eigen vloeistof. IJsbergen varen op de zee, vijvers bevriezen van boven naar beneden (wat de vissen eronder redt), en de blokjes in je limonade dobberen in plaats van te zinken. Weinig stoffen drijven op zichzelf; het leven op bevroren vijvers is er blij mee dat water dat wel doet.

39.4 De waterkringloop, gecontroleerd

Voorbeeld 39.9 (De grote rondreis, met vaktaal)

Het kinderverhaal van zee, wolk en regen leest nu als een grootboek. De warmte van de Zon drijft verdamping vanaf de zeeën aan — tonnen op tonnen stijgen onzichtbaar op. Hoog en koud condenseert de damp tot wolkendruppeltjes; nog kouder bevriezen de druppeltjes tot sneeuw. Sneeuw stapelt zich op tot gletsjers; gletsjers smelten tot rivieren; rivieren brengen elke gram terug naar de zee. Over de hele kringloop geldt Propositie 39.4: de planeet wint noch verliest een druppel — het water in jouw glas heeft deze lus al bevaren van vóór de dinosauriërs.

IJsbloemen op een vriezende ruit: water uit de lucht heeft dit ijs ’s nachts rechtstreeks op het glas gebouwd.

39.5 Oefeningen

Oefening 39.1 ★

Noem de zes deuren van Definitie 39.1, elk met één alledaagse waarneming.

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.1.

Smelten (rijp van het ochtendgras); stollen (de ijsblokjes van de vriezer); verdamping (drogende was, de kokende pan); condensatie (wasem op de koude spiegel); sublimatie (een sneeuwhoop die bij droge vorst krimpt); gas rechtstreeks naar vast (ijsbloemen op de ruit).

Oefening 39.2 ★

Welke deur: dauw die bij het ochtendgloren op koud gras ontstaat? een sneeuwpop die op een zonnige dag van $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ krimpt zonder dat er een plas verschijnt? ijsblokjes die de vriezer met “rook” vullen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.2.

Dauw: condensatie. De krimpende sneeuwpop zonder plas: sublimatie — vast rechtstreeks naar damp in de koude droge lucht. De “rook” van de vriezer: condensatie — kamerdamp die in de koude lucht tot een wolkje condenseert (druppeltjes, geen gas).

Oefening 39.3 ★

Een afgesloten fles water weegt $412\,\mathrm{g}$ . Ze bevriest ’s nachts tot vast ijs. Wat weegt ze nu, en welke propositie geeft het antwoord?

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.3.

Nog steeds $412\,\mathrm{g}$ : massa overleeft toestandsovergangen — de afgesloten fles heeft niets verloren en niets gewonnen.

Oefening 39.4 ★

Waarom moet het flesje in Methode 39.3 dicht zitten — en waarom moet het vóór elke weging afgedroogd worden?

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.4.

Dicht, zodat er geen damp met haar grammen kan wegdrijven (de controle moet gesloten blijven); afgedroogd, omdat aanhangend water of rijp van buiten vreemde grammen zou toevoegen die bij de kamer horen en niet bij de controle.

Oefening 39.5 ★

Een pan water kookt tien minuten zonder deksel en haar massa daalt met $200\,\mathrm{g}$ . Is er massa vernietigd? Waar zijn die grammen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.5.

Niet vernietigd: $200\,\mathrm{g}$ water is als damp de keukenlucht in vertrokken — verdamping heeft de grammen uit de pan verplaatst, niet uit de wereld.

Oefening 39.6 ★

Eén liter water gaat de vriezer in. Ongeveer welk volume ijs komt eruit? Dezelfde vraag voor de massa.

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.6.

Ongeveer $1.1\,\mathrm{L}$ ijs — een tiende meer ruimte. De massa is onveranderd: $1\,\mathrm{kg}$ erin, $1\,\mathrm{kg}$ eruit.

Oefening 39.7 ★

Waarom springen waterleidingen in strenge winters — en waarom tappen tuiniers hun buitenkranen in de herfst af?

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.7.

Water dat in een pijp opgesloten zit zwelt als het bevriest, en de pijp begeeft het net als de glazen fles. Tuiniers tappen hun kranen in de herfst af zodat er niets meer binnenin zit om te zwellen.

Oefening 39.8 ★

Waarom drijft ijs op water? Verbind Propositie 39.6 met de drijfregel — lichter of zwaarder voor dezelfde ruimte?

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.8.

IJs propt de stof van een liter in $1.1$ liter ruimte: lichter dan water voor dezelfde ruimte — en lichter-voor-dezelfde-ruimte is precies wat drijft.

Oefening 39.9 ★★

Vertel de waterkringloop als een grootboek: volg $1\,\mathrm{kg}$ zeewater de hele lus rond, benoem elke deur die het passeert en geef in elk stadium zijn massa.

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.9.

Zee ( $1\,\mathrm{kg}$ , vloeibaar) — verdamping — damp ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — condensatie — wolkendruppeltjes ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — stollen — sneeuw ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — smelten — smeltwater ( $1\,\mathrm{kg}$ ) — rivier naar zee ( $1\,\mathrm{kg}$ ). Zes stadia, één onveranderlijke massa.

Oefening 39.10 ★★

Een limonadeglas is tot de rand gevuld, met dobberende ijsblokjes. Een gast is bang dat het overloopt als het ijs smelt. Gebruik de twee controles (massa blijft behouden, ijs geeft zijn extra ruimte terug) om de gast gerust te stellen — of te alarmeren — met je redenering.

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.10.

Gerust stellen. Het dobberende ijs verdringt al zijn eigen gewicht aan limonade; smelten geeft precies dat water terug, teruggekrompen met het tiende waarmee het was gezwollen — het glijdt in de ruimte die het blokje onder het oppervlak al gebruikte. Het glas blijft boordevol en er loopt geen druppel over.

Oefening 39.11 ★★

Er verschijnen ’s nachts ijsbloemen op een vriezende ruit in een droge kamer, zonder regen en met een droge ruit bij het slapengaan. Welke deur nam het water, vanwaar, en waarom heet die deur geen “bevriezen”?

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.11.

De deur van gas naar vast: onzichtbare damp uit de kamerlucht raakte de vriezende ruit en bouwde er rechtstreeks ijs, met de vloeistof overgeslagen. Het heet geen “bevriezen” omdat er nooit vloeistof op de ruit heeft bestaan — het water kwam rechtstreeks uit de damptoestand.

Oefening 39.12 ★★★

Vijvers bevriezen van boven naar beneden. Leg de hele keten uit: waarom het ijs van het koudste water zich aan het oppervlak vormt en daar blijft, wat het drijvende deksel met de warmtestroom eronder doet (een isolatie-idee van vorig jaar), en waarom de vissen eronder hun winters te danken hebben aan het vreemde zwellen van water.

Oplossing

Oplossing van Oefening 39.12.

De vijver verliest aan zijn oppervlak warmte aan de winterlucht, dus bereikt het oppervlaktewater als eerste $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en vormt zijn ijs zich daar — en dat drijft, want het is lichter dan water voor dezelfde ruimte, dus blijft het bovenop. Het deksel van ijs (en sneeuw) is een trage rijstrook: het isoleert het water eronder, waarvan de warmte nu nog maar langzaam omhoog weglekt. Het diepe water blijft de hele winter net boven het vriespunt zweven, en de vissen zwemmen onder een dak dat hun rare, zwellende water voor hen heeft gebouwd.

39.6 Probleem: een kilogram de wereld rond

Probleem 39.1

Weekendprobleem — één kilogram zeewater op grote tournee; zes deuren, drie bergen, één ononderbroken grootboek

We plakken een denkbeeldig etiket op $1\,\mathrm{kg}$ zeewater en volgen het een jaar lang.

Deel I — Omhoog.

Juni: de Zon verwarmt het zeeoppervlak en onze kilogram stijgt onzichtbaar de lucht in. Noem de deur die hij nam.
Wat is de massa van onze (nu onzichtbare) kilogram water? Welke propositie garandeert dat?
Op $3000\,\mathrm{m}$ is de lucht koud: het water wordt een wolk van druppeltjes. Noem deze deur.
Nog kouder worden de druppeltjes sneeuwvlokken. Noem die deur — stollen — en geef de temperatuur waarbij wolkendruppeltjes zuiver water beginnen te bevriezen.

Deel II — Het grootboek van de gletsjer. Onze kilogram landt op een gletsjer en wordt tot gletsjerijs samengeperst.

Als water nam onze kilogram $1\,\mathrm{L}$ in. Ongeveer welk volume neemt hij als ijs in?
De tong van de gletsjer smelt in de zomer. Onze kilogram wordt smeltwater: wat is nu zijn massa, en zijn volume (weer als vloeibaar water)?
Op weg de berg af verdampt $250\,\mathrm{g}$ van onze kilogram uit een zonovergoten watervalkom. Hoeveel van het gemerkte water gaat als vloeistof verder in de beek?
Heeft het verdampte kwart de controle verlaten? Zeg waar die $250\,\mathrm{g}$ zijn, en welke deur ze hoogstwaarschijnlijk hierna nemen.

Deel III — Thuis, en de boeken sluitend.

De $750\,\mathrm{g}$ van de beek bereiken de zee in oktober. De verdampte $250\,\mathrm{g}$ viel in augustus als regen boven de kust en stroomde in september naar zee. Tel op wat de zee van onze kilogram terugkreeg.
Tijdens de hele tournee was onze kilogram precies nooit gewichtloos — maar hij was twee keer onzichtbaar. In welke stadia, en in welke toestand?
Een klasgenoot werpt tegen: “Sneeuw is pluizig en licht — de kilogram woog als sneeuw vast minder.” Ontwar de verwarring met het juiste paar woorden van dit jaar.
Schrijf de tournee op als een keten van deuren, op volgorde, met alleen de zes officiële namen uit Definitie 39.1.

Oplossing

Oplossing van Probleem 39.1.

1. Verdamping (verdamping vanaf het warme oppervlak). 2. Nog steeds $1\,\mathrm{kg}$ — massa overleeft toestandsovergangen. 3. Condensatie. 4. Bij $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . 5. Ongeveer $1.1\,\mathrm{L}$ . 6. Massa $1\,\mathrm{kg}$ ; volume weer $1\,\mathrm{L}$ . 7. $1000 - 250 = 750\,\mathrm{g}$ gaan verder in de beek. 8. Nee: de $250\,\mathrm{g}$ rijden intact als damp op de lucht; hun waarschijnlijkste volgende deur is condensatie — tot wolk, en dan regen. 9. $750 + 250 = 1000\,\mathrm{g}$ : de hele kilogram kwam thuis. 10. Twee keer onzichtbaar: als damp vlak na het verlaten van de zee, en opnieuw als damp boven de watervalkom — allebei in de gastoestand. 11. Pluizig gaat over volume: sneeuw bestaat uit ijskristallen doorregen met lucht, en neemt royaal ruimte in. De massa van ons gemerkte water bleef precies $1\,\mathrm{kg}$ — licht-per-ruimte is niet licht-in-stof: het woordenpaar is massa en volume. 12. Verdamping, condensatie, stollen, smelten — en voor het verdampte kwart: verdamping, condensatie (regen), en weer aansluiten als vloeistof. Vier deuren gebruikt; sublimatie en de deur van gas naar vast waren op deze tournee niet nodig.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

De zes toestandsovergangen

Bekijk alle 393 begrippen in de begrippenlijst