Energie verbouwt materie

In de vorige post hadden we het over potentiële en kinetische energie, en hoe die twee hand in hand voorkomen. Een voorbeeld van hoe beide vormen van energie samenhoren, vinden we in de moleculaire structuur van materialen – meer nog, in het verschil tussen de zogenoemde aggregatietoestanden. Zo zijn er drie: vast, vloeibaar en gasvormig. Zo krijgen we toch van kindsbeen af met de soeplepel ingelepeld. En dat mogen we letterlijk nemen, want die soep is natuurlijk een vloeistof. Maar als de soep stukjes groenten en vermicelli bevat, dan noemen we die stukjes vaste stof. Is de soep te heet, komt er stoom vanaf (en ja, dat is een vorm van gas).

Hot Soup!
Bron: Bev Sykes, Flickr, CC BY 2.0

Maar goed. We onderscheiden dus drie aggregatietoestanden van materie:

Om te beginnen zijn er vaste stoffen. “Een vaste stof heeft een eigen, vaste vorm, die stijf en star is en in principe niet afhangt van het recipiënt waarin de stof zich bevindt.” Zo klinkt toch de standaarddefinitie. Nu ja. Waar blijven we met zand of zout? Elke kleuter weet dat wie een visvormpje vult met nat zand en dat omkeert, daarmee een zandvisje maakt. En dan zou het recipiënt geen effect hebben op de vorm van de vaste stof? Kom nou…Nu is het wel zo dat de individuele zandkorrels een stijve vaste vorm hebben die niet afhangt van het zandkasteel waarin die korrel aan andere korrels plakt. Maar je merkt meteen dat die definitie niet altijd even handig is.

Laten we dan maar meteen kijken naar de manier waarop zo een vaste stof op moleculaire schaal georganiseerd is. Daarmee kunnen we een definitie brouwen die veel zinvoller is dan die van hierboven.

Op die schaal bestaat een vaste stof uit partikels (atomen of moleculen), die aan mekaar geklonken zijn via stevige elektrische krachten (intermoleculaire krachten, zeggen we), en niet in staat zijn om zich erg ver te bewegen ten opzichte van elkaar – wel, die moleculen trillen wel wat heen en weer, maar ze blijven zitten op hun plaats. In de meeste gevallen gaat het over vaste stoffen met een kristallijne structuur, wat wil zeggen dat de atomen of moleculen van de stof in een meetkundig, regelmatig rooster zijn gerangschikt, op vaste afstanden van elkaar. Voorbeelden zijn diamant, grafiet (twee voorbeelden van kristallen van zuivere koolstof), zout, metalen, ...

Andere vaste stoffen, zoals glas of plastics, beschikken echter niet over een reguliere meetkundige structuur. We noemen ze amorf. Maar ook hier zitten de atomen stevig vast in de structuur ingebed.

 

Enkele kristalvormen van koolstof
Bewerkt naar Michael Ströck (mstroeck), Wikimedia, CC BY-SA 3.0

 

De tweede klassieke aggregatietoestand is die van vloeistoffen. Een vloeistof heeft geen eigen vorm, maar neemt de vorm aan van het recipiënt waar de stof zich in bevindt. Een vloeistof heeft wel een vast volume. De intermoleculaire krachten zijn nog steeds sterk, maar zwakker dan in een vaste stof. Ze houden de partikels (moleculen) niet meer op een vaste plaats, maar wel bij mekaar.

Al moeten we ook hier een kanttekening maken. Ook sommige stoffen die we normaal als vast aanzien, kunnen beginnen uitvloeien. Lang is dit beweerd van glas: oud vensterglas lijkt lichtjes uit te vloeien onderaan. Alleen blijkt dat een artefact te zijn dat te wijten is aan de manier waarop men eeuwen geleden glas maakte – glas vloeit dus niet eens op honderden jaren tijd. Pek vloeit echter wel, traag maar zeker, zoals een van de langstlopende experimenten in de exacte wetenschappen aantoont: het pitch drop experiment aan de Universiteit van Queensland in Australië. Er zijn dus stoffen die zich ergens tussen vast en vloeibaar bevinden.

Het Pitch Drop Experiment toont aan dat zelfs een stof die we normaal beschouwen als een vaste massa, eigenlijk ook eigenschappen kan hebben van een vloeistof. Al sinds 1930 volgen onderzoekers hoe een trechter met pek langzaam maar zeker in grote, zware druppels leegloopt. Om de acht tot veertien jaar valt er een druppel, en de laatste keer was dat in april 2014. De volgende is wellicht pas voor 2028, maar je kan ondertussen het experiment live volgen. Ga gerust even rondsnuisteren op hun website en stel met eigen ogen vast dat niets te gek is om goed wetenschappelijk werk te zijn.
Bron: University of Queensland, aangepast door Amada44, Wikimedia, publiek domein;

 

Finaal zijn er de gassen. Een gas heeft geen eigen vorm of volume, maar past zich aan zijn recipiënt aan door zich er volledig in uit te breiden. De intermoleculaire krachten zijn zeer zwak, zelfs verwaarloosbaar in berekeningen rond gassen.

 

Om ons dit wat plastischer voor te stellen kunnen we een potje diepvriessoep opwarmen. In bevroren toestand is de soep een brok vast materiaal. Voor he grootste gedeelte bestaat die brok uit ijskristallen (opgebouwd uit watermoleculen), en hier en daar zit er nog een stuk bevroren wortel of selder in. Eerst wordt het ijs gewoon warmer. De watermoleculen bewegen dan wel wat (ze trillen heen en weer op hun vaste plaats in dat kristalrooster), maar ze blijven redelijk sterk aan mekaar hangen door de aantrekkingskrachten tussen de moleculen onderling. Op een bepaald moment hebben die moleculen echter zo veel energie, en trillen ze zo hard, dat die onderlinge aantrekking niet meer in staat is om de moleculen vast te houden in het kristalrooster. De vaste stof wordt vloeibaar – de bevroren soep smelt. De moleculen blijven nog aan mekaar kleven, maar minder sterk als bij een vaste stof. Ze kunnen over de andere heen rollen, en daarom kunnen we de vloeistof al uitgieten. Bij nog hogere temperaturen bereiken de watermoleculen zelfs dermate hoge energieniveaus dat ze niet eens meer bij mekaar gehouden worden. De vloeistof verdampt tot gas, en als we nu niet op tijd stoppen met onze soep op te warmen, brandt ze aan (wortelschijfjes verdampen niet zo gemakkelijk als water).

De vier voornaamste aggregatietoestanden en de fysische veranderingen die hen onderling verbinden
Hertekend naar F l a n k e r, penubag , Wikimedia, publiek domein

 

De overgang van een fase naar een andere hangt dus af van de onderlinge aantrekkingskrachten tussen de deeltjes. Deze krachten werken normaliter de gewone beweging van de deeltjes tegen. Wie aantrekkingskracht zegt, zegt ook relatieve positie van het ene voorwerp ten opzichte van iets anders. De maan wordt aangetrokken door de aarde, de aarde door de zon, wij allemaal door de aarde en soms ook nog door mekaar (maar dat laatste is geen fysica). Hoe ver die twee voorwerpen van mekaar te vinden zijn, bepaalt hun potentiële energie.

Bovendien geldt - hoe meer energie we in een stof steken, hoe sneller de deeltjes van die stof gaan bewegen, met andere woorden – hoe hoger hun kinetische energie ligt. Die hogere kinetische energie uit zich trouwens op een heel makkelijk te controleren en te meten manier: de gemiddelde kinetische energie van alle moleculen is immers recht evenredig met de temperatuur van de stof.

En zo vinden we dat de twee basisvormen van energie allebei toenemen wanneer we een stof opwarmen. Zowel kinetische als potentiële energie van de moleculen in de soep stijgen dus doordat we de soep opwarmen. Van de potentiële energie zien we dat omdat de hele mooie structuur van de vaste stof, die de moleculen bij mekaar dwingt, uiteenvalt en de soepmoleculen zich verder van mekaar verspreiden. Van de kinetische energie weten we dat omdat we de temperatuur van de soep kunnen meten.

Tot zover onze keukenwetenschap. Verhogen we nu nog verder de temperatuur van een stof in de gasvorm, dan bereikt de stof een vierde basistoestand van de materie: die van plasma. Om in deze toestand te komen moeten de elektronen worden losgetrokken van de atoomkernen in de deeltjes. Het resultaat is een mengsel van losse kernen (met positieve lading) en elektronen (met negatieve lading). Voorbeelden van plasma’s zijn vlammen, het binnenste van een kernfusiereactor, en het hart en de corona van de zon.

 

Draadvormige structuur van het plasma in de chromosfeer van de zon. Foto genomen door de Solar Optical Telescope van de Hinode, een internationale sonde op weg naar de zon. Zie http://www.nasa.gov/pdf/562697main_Solar-B-Poster-front-150dpi.pdf voor meer info. Foto: Hinode JAXA/NASA, 12 januari 2007. Publiek domein.

 

Naast die vier aggregatietoestanden “vast”, “vloeibaar”, “gasvormig” en “plasma” hebben wetenschappers nog verschillende zogenoemd niet-klassieke aggregatietoestanden beschreven. Het gaat dan wel in een aantal gevallen om theoretische constructen, die enkel onder bijzonder extreme en alleszins zeer exotische voorwaarden zouden kunnen voorkomen (maar zeg in de wetenschappen nooit nooit!). Of wat dacht je van de volgende:

  • Het Bose-Einsteincondensaat: dit is een aggregatievorm die enkel vlakbij het absolute nulpunt (T = 0 K) kan bestaan. Hierbij kunnen de individuele deeltjes niet meer van mekaar onderscheiden worden. Dergelijke Bose-Einsteincondensaten spelen een rol bij heel wat fundamenteel onderzoek naar atoomlasers, naar de vertraging van licht en bij een aantal fenomenen die we in de astrofysica bestuderen. Voor een beter begrip van deze toestand moeten we gebruik maken van de kwantummechanica. Zie ook op https://www.youtube.com/watch?v=1RpLOKqTcSk
  • Ontaarde materie komt voor bij extreem hoge zwaartekracht, zoals bv. in het hart van een witte dwergster, bij supernova’s of in neutronensterren. Dergelijke materie ontstaat doordat bij die hoge drukken de negatief geladen elektronen die rond de atoomkern zitten, in deze kern worden gedrukt, waar ze samen met de positief geladen protonen ongeladen neutronen vormen. Ontaarde materie heeft een dichtheid van meer dan een miljoen kg per cm3. Tot op zekere hoogte zorgt het bestaan van deze dense neutronenmassa voor een tegendruk. Overschrijdt de totale massa van de neutronenster echter de 3 à 5 zonnenmassa’s, dan is deze tegendruk ook niet meer in staat om zich de zwaartekracht te verzetten en vormt er zich een quarkster of een zwart gat.
  • Quark-gluon plasma zou ontstaan (dat is toch de hypothese) wanneer de temperatuur en de dichtheid van de materie zo hoog worden, dat quarks en gluonen vrij voorkomen. Waar bij een gewoon plasma de atomen uiteenvallen in kernen en elektronen, breken hier de sterke kernkrachten de atoomkernen en zelfs de deeltjes in die kernen (protonen en neutronen) open. Quarks zijn de bestanddelen van protonen en neutronen, en gluonen zijn elementaire deeltjes die quarks samenhouden. In dit soort plasma bestaan er dus zelfs geen protonen en neutronen meer. Dit zou het geval geweest zijn in de eerste microseconden (10-12 tot 10-6 seconden) na de Oerknal.

Maar we hadden het dus over energie…

 

Deze blogpost is een aanvulling op Elementair, onze podcast over wetenschap, te vinden op Spotify en op Libsyn.

Deze podcast wordt gesteund door het Fonds Ernest Solvay via de Koning Boudewijnstichting

Geplaatst door Geert op 21/04/2020 om 20:32