KirjastoOLOMUODOT JA NIIDEN MUUTOKSET

© Lavonen, Meisalo & al.

Vaikka olomuodonmuutokset kuuluvat luonnontieteiden opetuksen keskeisiin sisältöihin jo peruskoulun alaluokilla, on oppilailla vaikeuksia tunnistaa olomuodonmuutosilmiöitä ja kuvailla tekijöitä, jotka vaikuttavat olomuodonmuutoksiin. Olomuodonmuutoksiin liittyvää kieltä käytetään arkielämässä toisenlaisissa merkityksissä. Voidaan puhua esimerkiksi silmälasien höyrystymisestä tultaessa pakkasesta sisälle. Erityisesti sumu, joka on tiivistynyttä vettä, tulkitaan höyryksi.

Veden haihtuminen 

Avoimessa astiassa oleva vesi haihtuu vähitellen. Se muuttuu kaasumaiseen olomuotoon vesihöyryksi. Haihtuminen tunnistetaan veden häviämisestä. Veden haihtumista voidaan havaita kosteusanturilla. Myös kiinteät aineet haihtuvat. Tähän perustuu se, miksi pyykit kuivuvat pakkasella. Myös aineiden haju ilmentää aineiden haihtumista.

Tutkitaan veden haihtumista pienessä huoneessa (esim. komero), jonka lattialla on vesiämpäri. Mittausajaksi valitaan esimerkiksi 5 h. Havaitaan, että haihtuminen on aluksi nopeampaa. Noin 3 tunnin kuluttua mittauksen alusta on saavutettu tasapainotila. Kun tilaa aletaan lämmittää, havaitaan, että ilman kosteus laskee.

Veden pinnasta haihtuu vettä vesihöyryksi pinnan päällä olevaan ilmaa. Samalla myös vesihöyryä tiivistyy takaisin vedeksi. Tiivistyminen on sitä voimakkaampaa mitä enemmän vesihöyryä pinnan yläpuolella on. Kun astia on avoin, vesihöyry kulkeutuu pois. Kun astia on suljetussa tilassa, vesihöyryn määrä lisääntyy kunnes tiivistyminen on yhtä nopeaa kuin haihtuminen. Tällöin ilman vesihöyry on kylläistä ja sen paine on saavuttanut arvon, jota sanotaan kylläisen vesihöyryn paineeksi. Nesteen höyrystymispyrkimyksen voimakkuuden ilmaisee nesteen höyrynpaine ph, joka on yhtä suuri kuin sen pinnan yläpuolelle muodostuvan kylläisen höyryn paine.

Nesteen sisässä paine on vähintään ulkoisen paineen suuruinen. Niin kauan kuin veden höyrynpaine on tätä pienempi, höyryä voi muodostua vain pinnalla. Lämpötilan noustessa kiehumispisteeseen höyrynpaine saavuttaa ulkoisen paineen, jolloin höyryn muodostuminen käy mahdolliseksi myös nesteen sisässä. Neste kiehuu.

Asetetaan iso keitinlasi tai ämpäri ja kosteusanturi pieneen huoneeseen tai komeroon.

Astiasta haihtuu vesihöyryä siten, että haihtuminen on aluksi nopeampaa.

Kun astian viereen tuodaan lämpöpatteri, havaitaan, että lämpimään ilmaan ei mahdu niin paljon vesihöyryä kuin kylmään ilmaan.

Ilmankosteus

Ilmassa olevan vesihöyryn paineen suhdetta kylläisen höyryn paineeseen samassa lämpötilassa sanotaan ilman suhteelliseksi kosteudeksi. Se ilmaistaan tavallisesti prosentteina. Veden haihtuminen tai jään sublimoituminen on sitä nopeampaa, mitä kuivempaa ilma on eli mitä pienempi sen suhteellinen kosteus on.

Ilmankosteutta ja lämpötilaa voidaan mitata samanaikaisesti 

Kun suhteellinen kosteus on korkea, haihtuminen on hidasta. Kun ilman vesihöyry on kylläistä, suhteellinen kosteus on 100 % ja haihtuminen lakkaa. Näin voi käydä kuivaushuoneessa tai saunassa, jos ilmanvaihto toimii huonosti.

Ilman jäähtyminen ei vaikuta ilmassa olevan vesihöyryn paineeseen. Sen sijaan se alentaa kylläisen vesihöyryn painetta ja nostaa sen tähden ilman suhteellista kosteutta. Lämpötila, jossa suhteellinen kosteus tästä syystä saavuttaa 100 %, on kastepiste. Kun lämpötila laskee kastepisteen alapuolelle, vesihöyry alkaa tiivistyä. Näin syntyvät pilvet, sumut ja kastepisarat. Jos kastepiste on alempi kuin sulamispiste, syntyykin jääkiteitä. Aamulla hallayön jälkeen maa on härmässä.

Muutospisteet

Sulavan jään tai jäätyvän veden lämpötila pysyy samana koko muutoksen ajan. Tämä lämpötila on veden sulamispiste. Kiehuvan veden lämpötila ei myöskään muutu. Tämä on veden kiehumispiste. Myös paine vaikuttaa olomuotoon ja olomuodon muutoksiin. Paineen suurentaminen alentaa sellaisten aineitten sulamispistettä, jotka kiinteytyessään laajenevat kuten vesi jäätyessään. Korkealla vuoristossa, jossa ilmanpaine on alhainen, kiehuvan veden lämpötila voi olla jopa vain 80 ºC. Painekattiloissa, joita 1950-luvulla käytettiin yleisesti kotitalouksissa, ruoka voidaan kypsyttää nopeammin keittämällä esimerkiksi 115 ºC:n lämpötilassa.

Jään sulaminen ja veden kiehuminen

Keitinlasissa olevan veden lämpötilaa voidaan seurata ajan funktiona graafisesti, kun vettä aletaan lämmittää kaasupolttimella. Tutkimuksessa tarvitaan kuumennusvälineet, keitinlasi ja lämpötila-anturi. Mittausajaksi valitaan esimerkiksi 1600 sekuntia.

Eristetyssä systeemissä, jossa veteen tuodaan energiaa vakioteholla kasvaa lämpötila tasaisesti. Kiehumisen aikana lämpötila pysyy vakiona ja kaikki tuotu energia käytetään veden olomuodon muutokseen. Vakiopaineessa kiehuvan tai sulavan aineen lämpötila pysyy muuttumattomana niin kauan kuin olomuodon muutos kestää. Kullakin aineella on sille ominaiset kiehumis- ja sulamispisteet, jotka riippuvat paineesta. Kuumennettaessa vettä avonaisessa keitinlasissa, ei systeemi ole eristetty, vaan lämpöä siirtyy myös pois, joten lämpötila ei kasva tasaisesti.


Jos käytettävissä on öljyhaude tai keittolevy ja vetokaappi, vastaavalla tavalla voidaan tutkia esimerkiksi asetonin tai alkoholin lämpenemistä ja kiehumista. Jos Tuloksia halutaan vertailla keskenään, on lämmitysteho, lämmityslaitteisto ja astia sekä tutkittavan nesteen määrä vakioitava. Mittaamalla samaan kuvaajaan niin käyriltä havaitaan, että muut nesteet lämpenevät samalla lämmitysteholla huomattavasti nopeammin kuin vesi. Nesteiden kiehumispisteissä on myös eroa. Kokeen perusteella voidaan alkaa keskustella nesteiden ominaislämpökapasiteeteista.

Lumen sulaminen

Tutkimuksessa tarvitaan lämpötila-anturi, n. 40 °C vesihaude ja 50 ml:n korkillinen muovipullo. Muovipullon korkkiin tehdään sellainen reikä, että anturi juuri mahtuu siitä. Muovipullo täytetään lumella ja anturi työnnetään korkin reiästä pulloon siten, että se ei kosketa pullon reunoja ja toisaalta on lähellä pullon pohjaa. Mittausajaksi valitaan esimerkiksi 2000 s

Lumi lämpenee vesihauteessa (tai ilmassa). Sulamisen aikana lämpötila ei juurikaan muutu. Sulamisen jälkeen vesi lämpenee.

Veden haihtuminen lämpötila-anturista

Tutkitaan, lämpötilan muuttumista, kun lämpötila-anturi kastetaan "huoneen lämpöiseen" veteen ja otetaan sieltä pois. Tutkimuksessa tarvitaan keitinlasia ja lämpötila-anturia. Mittausohjelmasta valitaan Mittaustavaksi jatkuva graafinen ja. mittausajaksi valitaan 100 sekuntia. Havaitaan, että "huoneen lämpöisen" veden lämpötila on hivenen huoneen ilman lämpötilaa alhaisempi, koska vettä haihtuu koko ajan avoimesta astiasta. Haihtumiseen tarvittava energia on peräisin vedestä. Kun vesi luovuttaa energiaa haihtumiseen, sen lämpötila laskee. Kun anturi otetaan vedestä pois, lämpötila laskee jälleen. Vettä haihtuu nyt anturin pinnalta. Anturi luovuttaa haihtumiseen tarvittavan energian, jolloin anturin lämpötila laskee. 
 


Haihtumisen tutkiminen

Anturin ilmaisema lämpötila eri vaiheissa koesarjaa, ilman lämpötila on noin 21°C, Veden lämpötila noin 20,5°C otettaessa anturi pois vedestä, on anturin lämpötila noin 19°C ja pantaessa anturi takaisin veteen, nousee lämpötila takaisin 20,5 celsiusasteeseen.

Havaittu ilmiö on voimakkaampi, kun nesteenä käytetään asetonia tai alkoholia. Mielenkiintoista on tutkia, miten

1. astiassa olevan nesteen määrä,
2. haihtuvan pinnan ala,
3. itse neste,
4. sekoittaminen ja
5. huoneen lämpötila sekä kosteus

vaikuttavat huoneen lämpötilan ja veden lämpötilan eroon. Jos tuloksia halutaan vertailla keskenään mitataan tulokset samaan kuvaajaan. Käyriltä havaitaan esimerkiksi, että mitä isompi pinta samanmassaisilla vesimäärillä on sitä enemmän veden lämpötila laskee alle huoneen lämpötilan.

Etanolin höyrystyminen

Seurataan mittapullossa olevan etanolin höyrystymistä mittausjärjestelmään kytketyllä paineanturilla.

Käynnistetään mittaus. Lisätään mittapulloon pipetillinen Sinolia ja suljetaan pullo hioskorkilla, johon on liitetty kumiletku, joka voidaan yhdistää paineanturiin. 

Kuvaajasta havaittava paineen nousu voidaan tulkita nesteen muuttumiseksi kaasuksi. Koska samassa tilavuudessa on enemmän kaasua, on paine pullossa suurempi. On huomattava, että etanolivalmisteet kuten Sinol tai Solventol ovat seoksia, siten mittauksessa ei tutkita etanolia vaan etanolivalmistetta, seosta.

Steariinihapon jähmettyminen

Lämpötilaa voidaan seurataan graafisesti joko steariinihapon sulaessa tai jähmettyessä. Jähmettymisen yhteydessä saadaan parempi kuvaaja, koska silloin ilmiö tapahtuu hitaammin. Tutkimuksessa tarvitaan lämpötila-anturia, steariinihappoa, 250 ml keitinlasi, jossa on 150 g vettä ja koeputki.

Sulamista ja jähmettymistä voidaan tutkia myös muilla orgaanisilla hapoilla tai esimerkiksi naftaleenilla. Jokaisen aineen yhteydessä on tarkistettava, edellyttääkö aineen käsittely vetokaappia.