Wat is het verband tussen de massadichtheid van een stof en haar uitzetting?

Dennis, 27 jaar
15 juni 2016

Ik vroeg mij af wat het fysisch verband is tussen de massadichtheid van een stof en de uitzetting van deze stof (bij eenzelfde temperatuursverhoging)? In het algemeen zetten gassen meer uit dan vaste stoffen, maar mag ik dan ook deze logica volgen: Stoffen met een kleine massadichtheid zullen meer uitzetten, omdat de deeltjes dan sowieso al verder uit elkaar zitten en dus vermoedelijk een kleine cohesiekracht bezitten. Als dit juist is zou dit echter impliceren dat bijv. een volume alcohol meer uitzet dan eenzelfde volume lucht, hetgeen ik vreemd vind. Kan u mij deze situatie wetenschappelijk verduidelijken?

Antwoord

Helaas bestaat er geen eenvoudige relatie tussen de massadichtheid van een materiaal en de thermische expansie coëfficiënt

Eerst een kleine correctie van het voorbeeld. De dichtheid van lucht is 28.96 g/mol, terwijl deze van alcohol (of ethanol) 46.07g/mol is (zelfs voor methanol is deze 32.04 g/mol). Dus lucht zou hier de grotere expansie moeten vertonen (in gasvorm). Tenzij je eerder aan vloeibare alcohol (0.789g/cm³) dacht, in welk geval water(1g/cm³) een beter tegenhanger is dan lucht (0.87 g/cm³ bij een temperatuur lager dan -196°C, dus niet zo praktisch). De thermische expansie-coefficienten van water en alcohol zijn respectievelijk 207x10E-6/°C en 750x10E-6/°C bij 20°C. In dit geval zie je dat alcohol een grotere uitzetting zal vertonen dan water.

 

Dit is echter een simpel paar stoffen bij één specifieke temperatuur. Je kan dit niet zomaar veralgemenen, er zijn immers heel wat zaken die het leven moeilijk maken.

Een paar interessante puntjes om hierbij in gedachten te houden:

  • Een gas (in tegenstelling tot een vloeistof of vaste stof) heeft geen eigen begrenzing. Stop je een gas niet in een vat (of een ballon) dan zal het zonder weerstand uitdijen. De volume vergroting die je observeert bij het opwarmen van een gast is het gevolg van een verhoging van de druk in dit gas (door verhoging van de kinetische energie van de gasdeeltjes). In een vloeistof of een vaste stof dien je de uitzetting eerder te zien als uitrekking van de vaste stof/vloeistof zelf.
  • Bij de expansie van een (ideaal) gas speelt de massadichtheid eveneens geen rol : (ideale gaswet) p*V=nRT , hieruit volgt dat voor 1 mol H2 gas bij 20°C en 1 atmosfeer druk je hetzelfde volume hebt als voor 1 mol O2 gas. (de laatste is 16x zwaarder dus 16x hogere massadichtheid)
  • Er zijn heel wat stoffen die in een bepaald temperatuursinterval even een negatieve thermische expansie hebben (i.e. ze krimpen) Denk bvb aan water. 1kg water van 0°C heeft een groter volume dan 1kg water aan 4°C (dit is de reden dat er vaak nog een bodempje water vloeibaar is in een bevroren vijver).
  • Er bestaan ook ademende materialen. Een specifieke klasse hiervan zijn ademende metaal-organische raamwerken (MOFs is het Engelse acroniem). Sommige van deze materialen zien eruit als wijnrekjes (zie bijgevoegde figuur) welke kunnen open en dichtklappen door onder andere temperatuursvariaties. Deze volumeveranderingen kunnen makkelijk 50% of meer zijn. 

Hoe een materiaal uitzet onder invloed van de temperatuur is een zeer complex geheel dat voor een deel afhangt van hoe warmtetrillingen (fononen) zich door het materiaal kunnen bewegen. Daar komt verder nog bij dat sommige materialen meer dan één mogelijke kristalstructuur hebben, waardoor je bruuske overgangen in het volume kan zien tijdens de opwarming (of afkoeling: zie bv. tinpest die in de middeleeuwen Europese orgelpijpen de das omdeed).

Reacties op dit antwoord

Er zijn nog geen reacties op deze vraag.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Zoek andere vragen

© 2008-2019
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen