forekommende, indtil temperaturen til sidst bliver så lav, at hydrogenbindingerne ikke mere brydes. Det er det, vi kalder for is! Er temperaturen under 0 ˚C, er hydrogenbindingerne altså præcis stærke nok til at modstå varmen. Hydrogenbindingerne brydes ikke eller med andre ord, isen smelter ikke. Mange af de egenskaber, som vi i det følgende kigger lidt nærmere på, kan forklares ved at se på, hvor mange hydrogenbindinger der er, og hvor lang tid de lever.
Energi og vand: Termodynamiske egenskaber
Termodynamiske egenskaber fortæller os noget om, hvordan vand opfører sig, når vi ændrer temperaturen, og hvor nemt (eller svært) det er at tilføre energi (varme) eller at tage energi fra (køle) vand. Vands termodynamiske egenskaber er afgørende for den helt centrale rolle, som vand har – både ‘indvendigt’ i forbindelse med de biologiske processer, der foregår i vores krop, og også ‘udvendigt’ i forbindelse med Jordens økosystem. De termodynamiske egenskaber er resultatet af den måde, hvorpå de enkelte vandmolekyler sætter sig sammen og danner en helhed i enten flydende vand eller is.
Figur 2.4
Når vand afkøles, stiger densiteten indtil omkring 4 ˚C (Temperature of Maximum Density, forkortet TMD). Herefter falder densiteten svagt indtil frysepunktet, hvorefter den falder drastisk, når vandet fryser til is.
Densitet
Densiteten (massetætheden) af et stof fortæller, hvor meget et givet volumen vejer. Densiteten er egentlig ikke en termodynamisk egenskab. Vi kalder den oftest en fysisk egenskab, men her er vi mere interesserede i, hvordan vands densitet varierer med stigende og faldende temperatur, og det kan man godt kalde en termodynamisk egenskab. Det er velkendt, at 1 liter vand vejer 1 kg, dvs. for vand er densiteten ca. 1 gram/cm3. Det lille ca. er utroligt vigtigt, da vands densitet faktisk varierer en lille smule afhængigt af temperaturen.
På figur 2.4 ses vands densitet som funktion af temperaturen fra -5 til 40 ˚C. Starter vi ved høje temperaturer, ses det, at vands densitet er ca. 0,992 g/cm3, og i takt med at temperaturen falder, så stiger densiteten. Det er fuldstændigt normalt og kendes også fra andre væsker.
Varmt vand er altså ‘lettere’ end koldt vand. Når vi når ned til 4 ˚C, sker der derimod noget, som ikke ses i andre væsker; fra 4 ˚C til 0 ˚C (frysepunktet) bliver vand faktisk lettere igen! Temperaturen 4 ˚C i vand kaldes for temperature of maximum density (TMD). TMD-punktet er en af de meget spændende ting ved vand, for det er en af de egenskaber, som vi endnu ikke rigtigt kan give en god forklaring på.
Omkring frysepunktet falder densiteten drastisk, når vi går fra væskeformen af vand til is. Is er altså lettere end vand, hvilket kendes fra isbjerge og whiskey on the rocks. Is er lettere end vand, og derfor flyder is. Overgangen fra væske til fast form kaldes for en faseovergang, og igen er vand usædvanligt, idet vand er det eneste kendte stof, hvor væskefasen (vand) er tungere end den faste fase (is). Man kender ca. 15 millioner kemiske stoffer, og vand er det eneste, der har den egenskab. Densiteten af vand har, som vi skal se på senere, stor betydning for den måde, hvorpå varmt og koldt vand transporteres rundt på kloden, dvs. for strømningen i oceanerne.
Varmekapacitet
Vands varmekapacitet er et mål for, hvor meget energi vi skal bruge for at ændre temperaturen i vandet. Vand har en meget stor varmekapacitet, hvilket betyder, at vi skal bruge meget energi for at ændre vands temperatur. Det kendes naturligvis bedst fra køkkenet, hvor alle er bekendt med, at det kræver meget energi at varme vand op til kogepunktet. Tager man en anden væske, fx olie, benzin eller sprit, så er varmekapaciteten meget lavere, og det er tilsvarende nemmere at opvarme væsken.
Vands store varmekapacitet spiller en vigtig rolle for både de ‘indre’ og ‘ydre’ anvendelser af vand. Vandet i verdenshavene er fx afgørende for, at klodens temperatur ikke varierer særligt voldsomt mellem dag og nat. På månen, hvor der ikke er vand, svinger temperaturen med flere hundrede grader, afhængigt af om der er sol eller ikke er sol. Her på Jorden er denne variation langt mindre, typisk fra 5 grader over vandet til måske 30 grader i en meget tør ørken. Det er vands høje varmekapacitet, der stabiliserer Jordens temperatur og derved er med til at skabe tålelige vilkår for biologisk liv. Tilsvarende spiller vandet i vores krop en vigtig rolle ved at holde temperaturen konstant omkring de 37 ˚C.
Fordampningsvarme
En vigtig og meget velkendt egenskab ved vand er den egenskab, vi kalder for fordampningsvarmen. Hvis man på en varm sommerdag køler sig ved at hælde vand over kroppen, vil man tydeligt mærke, at man bliver koldere de steder, hvor man bliver våd. Tilsvarende, hvis man forlader morgenbrusebadet uden at tørre sig, så vil man også hurtigt opleve, at man afkøles kraftigt. Omvendt hvis man tørrer sig, så er afkølingen ikke nær så mærkbar. Alt dette skyldes, at det koster energi at få vand til at fordampe. Det er jo det, der sker, når man eksempelvis har vand på kroppen. Man tørrer gradvist, i takt med at vandet fordamper, og den afkøling, man føler, opstår, fordi vandet tager energi fra kroppen for at fordampe.
Figur 2.5
Vands overfladespænding betyder, at eksempelvis små metalgenstande med større densitet end vand kan flyde. (foto: Niels Jørgen Hansen)
Vand har som nævnt en høj fordampningsvarme – med andre ord, det koster meget energi at fordampe vand. Det er en meget stor fordel for kroppens indhold af vand, idet den høje fordampningsvarme sikrer os mod dehydrering og samtidig kan være med til at beskytte kroppen mod overophedning. I meteorologien er fordampningsvarmen også en meget central egenskab, idet den er drivkraften bag mange af de voldsomste vejrfænomener, vi kender. Den energi (=varme), der kræves for at fordampe 1 gram flydende vand til vanddamp, svarer præcist til den mængde energi, der frigives, når vanddampen kondenserer (fortættes), og der gendannes 1 gram flydende vand. På den måde bidrager vand til at transportere energi rundt i atmosfæren.
Overfladespænding
Når et vandmolekyle befinder sig mellem en masse andre vandmolekyler, vil det, som vi har været inde på, helst være omgivet af fire andre vandmolekyler, altså have fire perfekte hydrogenbindinger til de nærmeste naboer. Hvis vandmolekylet derimod sidder i overfladen af væsken, kan dette ikke lade sig gøre, da molekylet jo har luft på den ene side og vand på den anden side. Det kan vandmolekylerne ikke lide, så de prøver at arrangere sig, så overfladen bliver mindst mulig. Det er denne omorganisering af vandmolekylerne på overfladen, der giver anledning til det kendte fænomen overfladespænding. Overfladespændingen betyder, at objekter, der har en større densitet end vand, faktisk kan flyde. Er man forsigtig og omhyggelig, kan man få en affedtet knappenål til at flyde på en rolig vandoverflade. Man har også set de små insekter skøjteløberne, der på næsten bibelsk facon kan gå på vandet. Overfladespænding er strengt taget ikke en termodynamisk egenskab, men snarere en fysisk egenskab. Den spiller en rolle i botanikken i forbindelse med transport af vand rundt i træer og planter.
| TILSTANDSFORMER | Faktaboks 2.1 |
Alle de stoffer, vi kender, kan eksistere under tre tilstandsformer. Igen er vand et illustrativt eksempel. Is er vand i fastfase, flydende vand er vand i væskefase, og vanddamp er vand i gasfase. Både tryk og temperatur spiller en rolle for, hvilken fase stoffet er i. Er temperaturen under 0 °C, er vand i fastfase, og er temperaturen over 100 °C, er vandet i gasfase. Dette er dog under forudsætning af, at trykket er lige omkring 1 bar. Er trykket eksempelvis lavere end 1 bar, indtræder gasfasen ved lavere temperatur. Sammenhængen mellem vands faser og tryk og temperatur kan aflæses i et fasediagram som vist nedenfor. En grundlæggende egenskab ved faseovergange, eksempelvis når is bliver til vand, eller når vand bliver til damp,