Fasomvandlingar

Vatten finns i tre olika former: is, flytande vatten och ånga. Is är hårt och kallt. Flytande vatten kan du dricka och hälla. Ånga är vatten som gas, och den är osynlig. Det vita molnet över en kokande kastrull är ånga som redan har svalnat och blivit små vattendroppar. Det är samma ämne hela tiden, bara i olika form. Hur varmt eller kallt det är bestämmer vilken form vattnet har.

Byter ett ämne form kallas det en fasomvandling. Is som smälter blir till vatten (smältning), och vatten som fryser blir till is igen (stelning). Vatten som kokar blir till ånga (förångning), och ånga som möter något kallt, som ett lock eller en kall fönsterruta, blir vatten igen (kondensation). Varje ämne har sina egna temperaturer för när det smälter och kokar: is smälter vid 0 °C och vatten kokar vid 100 °C vid normalt lufttryck, medan exempelvis järn måste bli mycket hetare innan det smälter.

Något som förvånar många är att temperaturen inte stiger medan ett ämne byter form. Medan isen smälter visar termometern 0 °C hela tiden, även om du fortsätter att värma, och först när all is har blivit vatten börjar temperaturen stiga igen. Förklaringen är att värmen under fasövergången går åt till att lösgöra partiklarna från varandra, inte till att få dem att röra sig snabbare. Samma mönster upprepas vid kokpunkten: vattnet stannar på 100 °C tills all vätska har blivit ånga.

Förångning kan också ske långsamt, som avdunstning, utan att vätskan når kokpunkten – det är så våt tvätt torkar även när det är svalt ute, eftersom några vattenmolekyler ständigt har nog energi att lämna ytan. Vissa ämnen kan också gå direkt från fast till gas utan att bli flytande på vägen, vilket kallas sublimation och syns till exempel när torris försvinner i rumstemperatur. Energin som behövs skiljer sig mycket mellan övergångarna: att smälta ett kilogram is kräver omkring 334 kilojoule, medan det krävs nästan sju gånger så mycket, omkring 2 260 kilojoule, för att förånga ett kilogram vatten vid kokpunkten.

Det här lär du dig

Namnge och beskriva fasövergångarna smältning, stelning, förångning, kondensation och sublimation
Förklara varför temperaturen står still under en fasövergång
Skilja mellan avdunstning och kokning
Ge egna vardagsexempel på fasövergångar

Begrepp att kunna

Smältning: Övergången från fast till flytande form. Sker vid en bestämd temperatur som kallas smältpunkten och är olika för varje ämne.
Stelning: Övergången från flytande till fast form, motsatsen till smältning. För vatten kallas det ofta frysning och sker vid samma temperatur som smältningen.
Förångning: Övergången från flytande till gasform. Kan ske långsamt som avdunstning under kokpunkten, eller snabbt som kokning vid ämnets kokpunkt.
Kondensation: Övergången från gas till flytande form, motsatsen till förångning. Sker när ånga möter en tillräckligt kall yta eller tillräckligt kall luft.
Sublimation: Övergången direkt från fast till gasform, utan att ämnet blir flytande på vägen. Syns till exempel när torris sakta försvinner i rumstemperatur.

Vanliga svårigheter

Tror att all tillförd värme höjer temperaturen

Under en fasövergång, till exempel när is smälter eller vatten kokar, stannar temperaturen helt på samma värde fast du fortsätter att värma. Hela energin går i stället åt till att lösgöra partiklarna från varandra och ändra deras ordning. Först när hela ämnet har bytt form kan temperaturen börja stiga eller sjunka igen.

Blandar ihop avdunstning och kokning

Avdunstning sker långsamt från vätskans yta vid nästan vilken temperatur som helst, till exempel när en vattenpöl torkar upp. Kokning kräver att hela vätskan når ämnets kokpunkt och bildar bubblor av gas genom hela volymen, inte bara vid ytan. Det är samma typ av övergång, flytande till gas, men med helt olika hastighet och på olika ställen i vätskan.

Tror att smältpunkt och fryspunkt är olika temperaturer för samma ämne

Smältpunkten och fryspunkten för ett givet ämne ligger vid exakt samma temperatur. Skillnaden är bara i vilken riktning energin flödar: vid smältning tillförs energi och ämnet går från fast till flytande, vid stelning avges samma energi och ämnet går tillbaka från flytande till fast.

Vanliga missuppfattningar

Temperatur och värme är samma sak. Eleven förväxlar temperatur med värme eller termisk energi. Temperatur beskriver partiklarnas genomsnittliga rörelseenergi; en stor mängd ljummet vatten kan innehålla mer termisk energi än en liten mängd hett.

I verkligheten

Våt tvätt som hängs ut en kall vinterdag fryser till is men blir ändå torr till slut

Isen i tvätten sublimerar: vattenmolekyler lämnar isen direkt som osynlig vattenånga utan att först smälta. Några molekyler vid ytan har alltid tillräckligt med energi för att slita sig loss, även långt under fryspunkten.

Badrumsspegeln blir immig och otydlig efter en varm dusch

Varm vattenånga från duschen möter spegelns svalare yta och kondenserar till små vattendroppar. Det är samma övergång som bildar daggdroppar utomhus på morgonen, bara i en mindre och varmare version.

Tips

Håll ett öga på en termometer i kokande vatten på spisen hemma: se hur den ligger kvar på ungefär 100 °C så länge vattnet kokar. Det gör plötsligt begripligt varför energin under en fasövergång inte syns som en högre temperatur.
Lär dig fasövergångarna som tre par som pekar åt motsatt håll: smältning och stelning, förångning och kondensation, och sublimation och deposition, där ämnet går direkt mellan fast form och gas, som när torris försvinner eller rimfrost bildas.
Jämför avdunstning och kokning med en konkret fråga varje gång du möter en uppgift: sker det bara vid ytan och långsamt, eller i hela vätskan och snabbt vid en bestämd temperatur?

Testa dig själv

1. Varför stannar termometern på 0 °C i ett glas med krossad is och vatten som du rör om, ända tills isen har smält, trots att rummet omkring är varmare?

Värmen som strömmar in i isen går åt till att bryta upp den ordnade strukturen mellan vattenmolekylerna, inte till att få dem att röra sig snabbare. Så länge det finns både is och vatten kvar i glaset ligger temperaturen fast vid 0 °C. Först när all is har smält kan den tillförda värmen börja höja temperaturen på vattnet.

2. En skål vatten på köksbänken minskar sakta i volym över flera dagar, fast vattnet aldrig kokar. Vad händer, och hur skiljer det sig från kokning?

Vattnet avdunstar: enskilda molekyler vid ytan får av slumpen tillräckligt mycket rörelseenergi för att lämna vätskan som gas, trots att vattnet håller rumstemperatur. Det skiljer sig från kokning, där hela vätskan har nått kokpunkten och bildar gasbubblor i hela sin volym, inte bara vid ytan.

3. Varför krävs det mycket mer energi att förånga ett kilogram vatten vid 100 °C än att smälta samma mängd is vid 0 °C?

Vid smältning behöver partiklarna bara lösgöras så mycket att de kan glida förbi varandra i vätskeform, medan bindningarna fortfarande håller dem tätt tillsammans. Vid förångning måste partiklarna i stället slita sig loss helt från varandra och sprida ut sig som gas, vilket kräver ungefär sju gånger så mycket energi: omkring 2 260 kilojoule per kilogram jämfört med 334 kilojoule per kilogram vid smältning.

Ur kursplanen

Fysik åk 1–3 · Material och ämnen
Vattnets olika former: fast, flytande och gas. Avdunstning, kokning, kondensering, smältning och stelning.
Fysik åk 4–6 · Fysiken i naturen och samhället
Vanliga väderfenomen och deras orsaker, till exempel hur vindar och nederbörd uppstår.
Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Partikelmodell av materiens egenskaper samt fasövergångar, tryck, volym, densitet och temperatur.
Fysik nivå 1a1 · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Termisk energi, värme, temperatur och fasomvandlingar.
Fysik nivå 1b · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Termisk energi, värme, temperatur och fasomvandlingar.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Leder vidare till

Partikelmodellen

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: