Showdefysica demo 14, Vloeistof en gas

Dit is een simpele demonstratie die op verschillende momenten in het lesprogramma kan worden gedaan, omdat er veel verschillende aspecten aan de orde komen, zelfs optische:

• het volume van gas is veel groter dan van de overeenkomstige hoeveelheid vloeistof;
• een vloeibaar gas kan koken bij kamertemperatuur;
• het wordt dan erg koud;
• verdampen kost energie;
• een kleurloos gas kun je zien dankzij zijn afwijkende brekingsindex;
• butaan is zwaarder dan lucht.

Goed waarnemen -kijken en voelen- is bij deze proef belangrijk. Een POE-aanpak is mogelijk, al zal de ‘E’ van POE in lagere klassen beperkt blijven.
De proef is een demonstratie en geen leerlingproef omdat butaan een brandbaar gas is.
De beschrijving van deze demo staat in het boek ShowdeFysica.

Anecdote
Ooit deed Leo te Brinke (auteur van de proefbeschrijving) deze demonstratie precies boven het lokaal van collega Jansen (fictieve naam), die toen nog een verstokte roker was. Toen het gas buiten het raam naar beneden dwarrelde zei één van de leerlingen: “Beneden hangt Jansen uit het raam met een sigaretje.”

Natuurkundige achtergrond
Om alles globaal te begrijpen zijn slechts enkele basisbegrippen nodig: kookpunt, verdampingswarmte, dichtheid, lichtbreking. Stoffen die bij kamertemperatuur gasvormig zijn hebben een kookpunt lager dan kamertemperatuur. Lichtstralen veranderen van richting bij de overgang naar een andere stof.

Afhankelijk van het niveau van de klas kan overal dieper op ingegaan worden: het molecuulmodel voor de toename van het volume en het feit dat verdampen energie kost; dichtheid en brekingsindex van gassen.

Het kookpunt van butaan bij standaarddruk is 261 K (- 12 ºC).

De afkoeling van het vloeibare butaan tijdens het koken is te verklaren met de eerste hoofdwet van de thermodynamica:

q = w + ΔU_k + ΔU_p

Tijdens het koken komen de moleculen tegen de vanderwaalskracht in los van elkaar, waardoor de potentiële energie sterk toeneemt. Daarnaast wordt door het uitzetten tegen de atmosferische druk in uitwendige arbeid verricht; w en ΔU_p zijn dus positief.
De daarvoor benodigde energie kan zo snel niet uit de omgeving aangetrokken worden (het proces is adiabatisch) en gaat dus ten koste van de kinetische energie van de moleculen: de temperatuur daalt. In de formule is dus q ≈ 0 en ΔU_k is negatief.