Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
9IJs, water, damp
Hetzelfde water dat als ijsblokje in je glas rinkelt, schenk je in als drankje en stijgt als een witte pluim uit de soeppan op. Eén enkele stof, drie toestanden. Vorig jaar zagen we hoe warmte een ijsblokje liet smelten; dit jaar ontmoeten we alle drie de toestanden die water kan aannemen.
9.1 De drie toestanden van water
Voorbeeld 9.1 (Waar elke toestand woont)
Water kan in drie toestanden voorkomen. Vast: ijs — ijsblokjes, ijspegels onder de dakrand, rijp op het gras, sneeuw. Een vaste stof is hard en houdt zijn vorm. Vloeibaar: het water dat stroomt — regen, rivieren, de zee, je glas. Een vloeistof stroomt en neemt de vorm van zijn beker aan. Gas: waterdamp, water dat onzichtbaar door de lucht vliegt. Vast, vloeibaar, gas — maar eronder altijd dezelfde stof.
Opmerking 9.2 (Waterdamp is onzichtbaar)
De witte pluim die je boven de pan ziet, bestaat uit piepkleine zwevende waterdruppeltjes — kleine druppels vloeistof. Het echte gas — waterdamp, gemengd in de lucht — is helemaal niet te zien! Kijk goed naar de tuit van de pan: er vlak boven zit een kort helder stukje voordat de witte pluim begint. In dat stukje is het water een gas, onzichtbaar; iets hoger klontert het samen tot de druppeltjes die je wél ziet. In de lucht van elke kamer zit onzichtbare waterdamp verstopt, en vóór het einde van dit hoofdstuk betrappen we hem op heterdaad.
9.2 Van toestand veranderen
Definitie 9.3 (Smelten en bevriezen)
Als warmte vast ijs in vloeibaar water verandert, dan smelt het ijs. Als strenge kou vloeibaar water vast maakt, dan bevriest het water. Smelten en bevriezen zijn tegenovergestelde deuren tussen dezelfde twee toestanden: warmte duwt de ene kant op, kou de andere.
Definitie 9.4 (Verdampen en condenseren)
Als warmte vloeibaar water als gas de lucht in laat vliegen, dan verdampt het water — de plas krimpt, de was droogt. Als waterdamp iets kouds raakt en weer vloeibare druppeltjes wordt, dan condenseert hij — wasem op het koude raam, damp op de badkamerspiegel. Opnieuw twee tegenovergestelde deuren: warmte stuurt water naar de gastoestand, kou roept het terug naar de vloeistof.
Voorbeeld 9.5 (Probeer het: vang het onzichtbare water)
Pak een blikje of een glas zo uit de koelkast, droog de buitenkant zorgvuldig af met een doek en zet het op tafel. Wacht terwijl je tot telt. De buitenkant beslaat en wordt dan nat — er verschijnen druppels uit het niets! Ze lekken niet door het glas heen: de onzichtbare waterdamp in de lucht van de kamer raakte de koude wand en condenseerde. Je hebt zojuist het onzichtbare gas gevangen.
Voorbeeld 9.6 (Wolkjes uit je mond)
In je adem zit altijd onzichtbare waterdamp. Op een warme dag blijft die onzichtbaar. Op een vrieskoude ochtend condenseert de koude buitenlucht hem meteen tot een wolkje voor je mond — en hetzelfde gebeurt op een koud raam als je erop blaast om met je vinger te tekenen.
Opmerking 9.7 (Damp en fornuis: voorzichtig)
De waterdamp boven een kokende pan is gloeiend heet — heter dan het water zelf aanvoelt. Steek je hand nooit in de pluim, en til deksels van je af, met een volwassene in de buurt. Veranderingen van toestand zijn om naar te kijken, niet om aan te raken, zodra er een fornuis aan te pas komt.
9.3 Hetzelfde water, rondje na rondje
Voorbeeld 9.8 (De krimpende plas)
Na de regen glimt er een plas op het schoolplein. ’s Middags is hij gekrompen; morgen is hij weg. Niemand heeft hem opgedronken en hij is niet door het asfalt gelekt: de warmte van de Zon liet hem druppel voor druppel verdampen in de lucht. Trek ’s ochtends met krijt een lijn om een plas en kijk na de lunch: het water heeft zich teruggetrokken binnen je lijn.
Voorbeeld 9.9 (Van de zee naar de regen)
Wat verdampt moet ergens condenseren. Water vliegt onzichtbaar omhoog uit zeeën en plassen; hoog in de lucht, waar het koud is, condenseert het tot de druppeltjes waaruit wolken bestaan; de druppeltjes klonteren samen, worden zwaar en vallen — regen! De regen vult de plassen en de zeeën, en de rondreis begint opnieuw. Het water in jouw glas heeft die reis vaker gemaakt dan iemand kan tellen.
9.4 Oefeningen
Oefening 9.1 ★
In welke toestand verkeert elk van deze — vast, vloeibaar of gas: een ijspegel; de zee; het onzichtbare water vlak boven de tuit van de soeppan; rijp op het gras; regen?
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.1.
IJspegel: vast. De zee: vloeibaar. Het onzichtbare water boven de tuit: gas (waterdamp). Rijp: vast. Regen: vloeibaar.
Oefening 9.2 ★
Noem de verandering van toestand: een sneeuwpop die in de zon krimpt; een plas die verdwijnt; wasem die op de badkamerspiegel verschijnt; een vijver die ’s winters hard wordt.
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.2.
De sneeuwpop smelt; de plas verdampt; de wasem op de spiegel condenseert; de vijver bevriest.
Oefening 9.3 ★
Welke kant duwt warmte in de tekening van de toestandsveranderingen altijd op: naar het vaste of naar het gas? En kou?
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.3.
Warmte duwt naar het gas toe (vast naar vloeibaar naar gas); kou duwt terug naar het vaste (gas naar vloeibaar naar vast).
Oefening 9.4 ★
De druppels op het koude blikje van Voorbeeld 9.5 — zijn die door het glas naar buiten gelekt? Waar kwamen ze vandaan?
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.4.
Nee — glas lekt niet. De onzichtbare waterdamp in de lucht van de kamer condenseerde op de koude buitenwand van het blikje en werd zichtbare druppels.
Oefening 9.5 ★
Waarom zie je je adem op een vrieskoude ochtend wel en op een warme dag niet? Gebruik de woorden van Definitie 9.4.
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.5.
In je adem zit altijd onzichtbare waterdamp. Vrieskoude lucht condenseert die meteen tot piepkleine druppeltjes — een zichtbaar wolkje. In warme lucht blijft hij verdampt, dus valt er niets te zien.
Oefening 9.6 ★
Natte was droogt sneller in de zon dan in de schaduw. Welke verandering van toestand is aan het werk, en wat voegt de Zon toe om haar te versnellen?
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.6.
Verdampen. De Zon voegt warmte toe, en warmte is wat water sneller als gas de lucht in stuurt.
Oefening 9.7 ★
Waarom is de pluim boven een kokende pan gevaarlijk, en wat is de veilige regel uit Opmerking 9.7?
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.7.
De pluim is gloeiend heet — heter dan badwarm water. De regel: steek nooit je hand in de pluim, til deksels van je af, en doe het alleen met een volwassene in de buurt.
Oefening 9.8 ★
Vertel de rondreis van een regendruppel: begin bij de zee, eindig weer in de zee, en gebruik onderweg de woorden verdampen en condenseren.
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.8.
De Zon verwarmt de zee en een deel van het water verdampt en vliegt onzichtbaar omhoog. Hoog in de kou condenseert het tot wolkendruppeltjes. De druppeltjes worden zwaar en vallen als regen, die terugstroomt naar de zee — klaar voor een nieuwe ronde.
Oefening 9.9 ★★
Boven de tuit van de pan zit een helder stukje, en pas daarboven begint de witte pluim. Wat zit er in dat heldere stukje? Wat laat dat zien over water in de gastoestand?
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.9.
In het heldere stukje zit water in de gastoestand — waterdamp, onzichtbaar. Pas iets hoger condenseert de afkoelende lucht hem tot de witte druppeltjes van de pluim. De echte “damp” is dus niet te zien; het witte dat we damp noemen bestaat al uit piepkleine druppels vloeibaar water.
Oefening 9.10 ★★
Nino laat een glas water een week op de vensterbank staan; het niveau zakt dag na dag, terwijl niemand ervan drinkt. Zijn kat wordt beschuldigd. Verdedig de kat: leg uit wat er werkelijk is gebeurd, en verzin een manier om te laten zien dat het water de lucht in verdwijnt en niet in de kat.
Oplossing
Oplossing van Oefening 9.10.
Het water is elke dag een beetje de lucht van de kamer in verdampt. Om de kat vrij te pleiten: dek een identiek glas af met een bordje of plasticfolie en zet ze naast elkaar. Na een week is het afgedekte glas nog vol terwijl het open glas gezakt is — het water ontsnapt in de lucht, en geen kat drinkt door een deksel heen.