1. THUISSTUDIE
TOEGEPASTE FYSICA
www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
Centrumvoorafstandsonderwijs.be
Auteur: Ahmed Benkheil
2. Inhoudsopgave
1 Algemene inleiding.....................................................................................................20
1.1 Materie en stoffen .................................................................................................20
1.2 Massa, volume en dichtheid..................................................................................21
1.3 Ondoordringbaarheid van stoffen..........................................................................21
1.4 Oplosbaarheid van stoffen ....................................................................................22
1.5 Intermoleculaire aantrekkingskrachten..................................................................22
1.5.1 Inleiding ............................................................................................................22
1.5.2 Vanderwaalskrachten........................................................................................22
1.5.3 Dipool – dipool interacties .................................................................................23
1.5.4 Waterstofbruggen..............................................................................................24
1.5.5 Ion – dipool interacties ......................................................................................24
1.6 SI – eenheden ......................................................................................................24
1.7 Oefeningen ...........................................................................................................25
2 Aggregatietoestanden en het deeltjesmodel ............................................................27
2.1 De drie fasen van een stof ....................................................................................27
2.2 Het deeltjesmodel .................................................................................................28
2.3 Vaste stoffen, vloeistoffen en gassen....................................................................28
2.4 Invloed van de temperatuur ..................................................................................30
2.5 Oefeningen ...........................................................................................................30
3 Gassen en gaswetten .................................................................................................33
3.1 De druk van een gas.............................................................................................33
Centrum Voor Afstandsonderwijs 2
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
3. 3.2 Wet van Boyle.......................................................................................................33
3.3 Het absoluut nulpunt .............................................................................................34
3.4 De wetten van Gay – Lussac ................................................................................35
3.5 De Algemene gaswet ............................................................................................35
3.6 Oefeningen ...........................................................................................................35
4 Smelten en stollen ......................................................................................................38
4.1 Verklaring aan de hand van het deeltjesmodel......................................................38
4.2 Smelt – en stolproces bij zuivere stoffen ...............................................................39
4.3 Smelttraject bij samengestelde stoffen..................................................................41
4.4 Smeltpuntsverlaging .............................................................................................41
4.4.1 Inleiding ............................................................................................................41
4.4.2 Verklaring aan de hand van het deeltjesmodel..................................................42
4.4.3 Koudmakende mengsels...................................................................................43
4.5 Oefeningen ...........................................................................................................43
5 Verdampen en condenseren......................................................................................46
5.1 Verklaring aan de hand van het deeltjesmodel......................................................46
5.1.1 Verdampen .......................................................................................................46
5.1.2 Condenseren ....................................................................................................47
5.2 Kook– en condensatieproces bij zuivere stoffen....................................................47
5.3 Kooktraject bij samengestelde stoffen...................................................................49
5.4 Verzadigde en onverzadigde dampen...................................................................50
5.4.1 Definities ...........................................................................................................50
Centrum Voor Afstandsonderwijs 3
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
4. 5.4.2 Verklaring aan de hand van het deeltjesmodel..................................................50
5.4.3 Verzadigingsdruk ..............................................................................................51
5.4.4 Afkoelen en samenpersen van gassen..............................................................53
5.5 Koken van vloeistoffen ..........................................................................................54
5.5.1 Invloed van de druk op het kookpunt.................................................................54
5.5.2 Kokende vloeistoffen.........................................................................................54
5.6 Kritieke temperatuur van een stof .........................................................................55
5.6.1 Definitie.............................................................................................................55
5.6.2 Het kritieke punt ................................................................................................56
5.7 Luchtvochtigheid ...................................................................................................57
5.7.1 Definities ...........................................................................................................57
5.7.2 Meten van luchtvochtigheid...............................................................................58
5.7.3 Vochtigheidsindicatoren ....................................................................................59
5.8 Oefeningen ...........................................................................................................60
6 Oppervlaktespanning en capillariteit ........................................................................65
6.1 Cohesie en adhesie ..............................................................................................65
6.1.1 Cohesie.............................................................................................................65
6.1.2 Adhesie.............................................................................................................66
6.2 Oppervlaktespanning ............................................................................................67
6.2.1 Grenslaag van een vloeistof..............................................................................67
6.2.2 Definitie oppervlaktespanning ...........................................................................69
6.2.3 Factoren die een invloed hebben op de oppervlaktespanning...........................70
Centrum Voor Afstandsonderwijs 4
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
5. 6.3 Capillariteit ............................................................................................................72
6.3.1 Definitie en voorbeelden....................................................................................72
6.3.2 Wet van Jurin ....................................................................................................73
6.4 Toepassingen van oppervlaktespanning en capillariteit.........................................75
6.4.1 Druk in een zeepbel ..........................................................................................75
6.4.2 Streven naar de bolvorm ...................................................................................76
6.4.3 Bevochtigen van een oppervlak ........................................................................77
6.5 Oefeningen ...........................................................................................................78
7 Diffusie en osmose.....................................................................................................81
7.1 Diffusie..................................................................................................................81
7.1.1 Definitie.............................................................................................................81
7.1.2 Verklaring aan de hand van het deeltjesmodel..................................................82
7.1.3 Invloed van de concentratie ..............................................................................83
7.1.4 Invloed van de temperatuur...............................................................................84
7.1.5 Invloed van de deeltjesgrootte...........................................................................84
7.1.6 Invloed van de aggregatietoestand ...................................................................85
7.2 Osmose ................................................................................................................85
7.2.1 Definitie.............................................................................................................85
7.2.2 Isotonische, hypotonische en hypertonische oplossingen .................................87
7.2.3 Osmotische druk ...............................................................................................88
7.2.4 Vergelijking osmose en diffusie .........................................................................88
7.3 Diffusie en osmose in het menselijk lichaam .........................................................88
Centrum Voor Afstandsonderwijs 5
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
6. 7.3.1 Bloed.................................................................................................................88
7.3.2 Lichaamsvocht ..................................................................................................89
7.3.3 Nierdialyse ........................................................................................................89
7.4 Oefeningen ...........................................................................................................90
8 Viscositeit ...................................................................................................................92
8.1 Het begrip viscositeit .............................................................................................92
8.1.1 Definitie.............................................................................................................92
8.1.2 Eigenschappen en gedrag ................................................................................92
8.2 Het debiet van een vloeistof ..................................................................................93
8.3 Laminaire stroming en het stroomprofiel ...............................................................94
8.4 Formule van Poiseuille..........................................................................................95
8.5 Turbulente stroming ..............................................................................................95
8.6 Oefeningen ...........................................................................................................97
9 Elektrische lading.....................................................................................................100
9.1 Inleiding ..............................................................................................................100
9.2 Geleiders en isolatoren .......................................................................................101
9.2.1 Inleiding en definities.......................................................................................101
9.2.2 Verband met de atoomstructuur ......................................................................102
9.2.3 Het laden van voorwerpen ..............................................................................103
9.3 Elektrische inductie .............................................................................................104
9.3.1 Inleiding ..........................................................................................................104
9.3.2 Inductie bij een isolator ...................................................................................104
Centrum Voor Afstandsonderwijs 6
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
7. 9.3.3 Inductie bij een geleider ..................................................................................105
9.4 Aarding ...............................................................................................................105
9.5 Oefeningen .........................................................................................................106
10 Basisbegrippen in verband met elektrische stroom ..............................................109
10.1 Elektrische stroom ..............................................................................................109
10.1.1 Elektrische stroom en spanning...................................................................109
10.1.2 Spanningsbron ............................................................................................110
10.1.3 Conventionele stroomzin .............................................................................111
10.1.4 Weerstand...................................................................................................111
10.2 Stroomsterkte .....................................................................................................112
10.3 Eenheid van lading .............................................................................................112
10.4 Coulombkracht....................................................................................................112
10.5 Oefeningen .........................................................................................................113
11 Elektrische weerstand en de wet van Ohm.............................................................114
11.1 Elektrische potentiaal..........................................................................................114
11.1.1 Potentiële energie van een lading ...............................................................114
11.1.2 Definitie elektrische potentiaal.....................................................................114
11.2 Spanning.............................................................................................................115
11.2.1 Definitie .......................................................................................................115
11.2.2 Meten van spanning ....................................................................................115
11.3 Stroom en stroomsterkte.....................................................................................116
11.3.1 Definitie .......................................................................................................116
Centrum Voor Afstandsonderwijs 7
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
8. 11.3.2 Meten van stroom .......................................................................................116
11.4 Elektrische stroomkringen...................................................................................117
11.5 De wet van Ohm .................................................................................................118
11.5.1 Bespreking van de wet van Ohm.................................................................118
11.5.2 Alternatieve definitie voor de weerstand ......................................................119
11.5.3 Weerstand van de Ampèremeter en de voltmeter .......................................119
11.5.4 Toepassingen op de wet van Ohm ..............................................................120
11.5.5 Grafische voorstelling van de wet van Ohm ................................................121
11.6 Oefeningen .........................................................................................................122
12 Schakelen van weerstanden ....................................................................................126
12.1 Serieschakeling...................................................................................................126
12.1.1 Inleiding.......................................................................................................126
12.1.2 Stroom in een serieschakeling ....................................................................126
12.1.3 Spanning over een serieschakeling.............................................................127
12.1.4 Vervangingsweerstand bij serieschakeling ..................................................127
12.2 Parallelschakeling ...............................................................................................128
12.2.1 Inleiding.......................................................................................................128
12.2.2 Stroom in een parallelschakeling.................................................................129
12.2.3 Spanning in een parallelschakeling .............................................................129
12.2.4 Vervangingsweerstand bij parallelschakeling ..............................................129
12.3 Gemengde schakelingen ....................................................................................130
12.3.1 Motiverend probleem...................................................................................130
Centrum Voor Afstandsonderwijs 8
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
9. 12.3.2 Oplossingsstrategie.....................................................................................131
12.4 De wetten van Kirchhoff ......................................................................................135
12.4.1 De eerste wet of de stroomwet ....................................................................135
12.4.2 De tweede wet van Kirchhoff of de spanningswet .......................................135
12.5 Oefeningen .........................................................................................................136
13 De wet van Pouillet ...................................................................................................140
13.1 Inleiding ..............................................................................................................140
13.2 Factoren die de weerstand van een geleider bepalen .........................................140
13.2.1 De lengte van de geleider............................................................................140
13.2.2 De doorsnede van de geleider ....................................................................141
13.2.3 Het materiaal waaruit de geleider is samengesteld......................................141
13.3 De wet van Pouillet .............................................................................................141
13.4 Oefeningen .........................................................................................................142
14 Energie en vermogen van de elektrische stroom...................................................144
14.1 Inleiding ..............................................................................................................144
14.2 Het Joule – effect ................................................................................................144
14.3 Elektrische energie en vermogen........................................................................145
14.3.1 Elektrische energie E ..................................................................................145
14.3.2 Elektrisch vermogen P ................................................................................145
14.3.3 De kWh als eenheid van elektrische energie ...............................................146
14.3.4 De elektriciteitsmeter...................................................................................146
14.4 Oefeningen .........................................................................................................147
Centrum Voor Afstandsonderwijs 9
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
10. 15 Gevaren en veiligheidsaspecten .............................................................................149
15.1 Inleiding ..............................................................................................................149
15.2 Gevaren voor het menselijk lichaam ...................................................................150
15.2.1 Inleiding.......................................................................................................150
15.2.2 Intensiteit van de stroomsterkte...................................................................150
15.2.3 Tijdsduur van de stroomdoorgang ...............................................................153
15.2.4 De weg die de stroom volgt in het lichaam ..................................................154
15.2.5 Frequentie van de stroom............................................................................155
15.3 Gevaren voor de omgeving.................................................................................155
15.3.1 Inleiding.......................................................................................................155
15.3.2 Brand ten gevolge van slechte contacten ....................................................155
15.3.3 Brand ten gevolge van overbelasting ..........................................................156
15.3.4 Overschrijding van de toegestane stroomsterkte.........................................156
15.3.5 Brand ten gevolge van een kortsluiting........................................................157
15.3.6 Gevaar voor explosies.................................................................................157
15.4 Voorbeeld van een eenvoudige huisinstallatie ....................................................157
15.4.1 Inleiding.......................................................................................................157
15.4.2 Smeltveiligheid of zekering..........................................................................158
15.4.3 Automatische smeltveiligheden ...................................................................159
15.5 Aarding ...............................................................................................................161
15.5.1 Algemeen....................................................................................................161
15.5.2 Aardingslus .................................................................................................161
Centrum Voor Afstandsonderwijs 10
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
11. 15.6 Differentieelschakelaar........................................................................................161
15.6.1 Algemeen....................................................................................................161
15.6.2 Werking.......................................................................................................162
15.7 Oefeningen .........................................................................................................163
16 Wisselstroom en wisselspanning............................................................................168
16.1 Soorten elektrische stroom .................................................................................168
16.1.1 Gelijkstroom (DC)........................................................................................168
16.1.2 Wisselstroom (AC) ......................................................................................169
16.2 Sinusvormige wisselspanning of stroom .............................................................170
16.2.1 Inleiding.......................................................................................................170
16.2.2 Periode........................................................................................................172
16.2.3 Frequentie...................................................................................................173
16.2.4 Amplitude ....................................................................................................174
16.2.5 Momentele waarden....................................................................................174
16.2.6 Effectieve waarden......................................................................................175
16.3 De transformator .................................................................................................176
16.3.1 Inleiding.......................................................................................................176
16.3.2 De opbouw van een transformator ..............................................................176
16.3.3 De primaire en de secundaire spanning ......................................................177
16.3.4 De primaire en de secundaire stroomsterkte ...............................................178
16.4 Voor- en nadelen van wisselstroom ....................................................................179
16.4.1 Voordelen....................................................................................................179
Centrum Voor Afstandsonderwijs 11
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
12. 16.4.2 Nadelen.......................................................................................................180
16.5 Oefeningen .........................................................................................................180
17 Herhalingsvragen elektriciteit..................................................................................182
18 Trillingen ...................................................................................................................184
18.1 Definitie van een trilling .......................................................................................184
18.2 Amplitude A ........................................................................................................185
18.3 Trillingstijd of periode T .......................................................................................185
18.4 Frequentie f.........................................................................................................186
18.5 De pulsatie ω ......................................................................................................186
18.6 Harmonische trillingen.........................................................................................186
18.7 Voorbeelden van harmonische trillingen .............................................................188
18.7.1 Massa aan een veer....................................................................................188
18.7.2 De slinger....................................................................................................190
18.7.3 De stemvork ................................................................................................190
18.8 Oefeningen .........................................................................................................192
19 Ontstaan van golven ................................................................................................195
19.1 Inleiding ..............................................................................................................195
19.2 Het golfverschijnsel.............................................................................................196
19.2.1 Inleiding.......................................................................................................196
19.2.2 Transversale en longitudinale golven ..........................................................197
19.3 Golfsnelheid en golflengte...................................................................................197
19.3.1 Golfsnelheid ................................................................................................197
Centrum Voor Afstandsonderwijs 12
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
13. 19.3.2 Golflengte....................................................................................................198
19.3.3 Verband tussen voortplantingssnelheid, frequentie en golflengte ................198
19.4 Oefeningen .........................................................................................................199
20 Toepassingen van golven ........................................................................................201
20.1 Geluid .................................................................................................................201
20.1.1 Wat is geluid?..............................................................................................201
20.1.2 Hoe plant geluid zich voort? ........................................................................202
20.1.3 Luidspreker en microfoon ............................................................................202
20.1.4 Soorten geluid .............................................................................................203
20.2 Kenmerken van een toon ....................................................................................203
20.2.1 Toonhoogte en frequentie ...........................................................................203
20.2.2 Toonsterkte .................................................................................................205
20.2.3 Toonklank of timbre.....................................................................................205
20.2.4 Geluidsniveau .............................................................................................206
20.3 Elektromagnetische golven .................................................................................207
20.3.1 Inleiding.......................................................................................................207
20.3.2 Wat zijn elektromagnetische golven? ..........................................................207
20.3.3 Het elektromagnetisch spectrum .................................................................208
20.4 Oefeningen .........................................................................................................216
21 Herhalingsopgaven Trillingen en Golven ...............................................................221
22 Index..........................................................................................................................222
Centrum Voor Afstandsonderwijs 13
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
14. Centrum Voor Afstandsonderwijs 14
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
15. Inleiding
Beste student,
Welkom bij de thuisstudie Toegepaste Fysica!
Deze cursus is opgebouwd rond de te kennen leerstof voor de TSO – richting Farmaceutisch
Technisch Assistent en biedt een ideaal hulpmiddel ter voorbereiding van het middenjury –
examen.
Als basiskennis ben ik uitgegaan van een goede kennis van de fysica uit de twee graag van
het secundair onderwijs (voor zowel ASO als TSO – richtingen). Belangrijke begrippen
worden echter steeds herhaald.
De cursus is opgebouwd uit drie belangrijke delen: fysische eigenschappen van de materie,
elektriciteit en golven. Elk deel is opgebouwd uit meerdere hoofdstukken en elk hoofdstuk uit
verschillende paragrafen. Aan het einde van elke paragraaf dienen oefeningen gemaakt te
worden. Bij het studeren kun je best de volgorde van de cursus volgen: studeer eerst de
theorie en maak dan de oefeningen. De oplossingen van de oefeningen kun je online
bekomen.
Indien je met vragen zit, aarzel dan niet om te contacteren!
Ik wens je veel succes bij het studeren van dit vak en je zult de leerstof ongetwijfeld
interessant vinden!
Vriendelijke groeten,
Ahmed Benkheil
Centrum Voor Afstandsonderwijs 15
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
16. Handleiding bij de opleiding
1) Hoe kan ik inschrijven?
Om je in te schrijven voor een opleiding zijn er twee mogelijkheden. Ofwel schrijf je je in via
de website, ofwel kom je langs op één van onze secretariaten in Antwerpen, Gent of Hasselt.
2) Hoe kan ik huistaken inzenden?
Bij elk hoofdstuk in de cursus zal je oefeningen en huistaken vinden. De oplossingen zijn
vaak terug te vinden op de studentenpagina op het internet. Op deze pagina kan je
communiceren met je docent of met andere studenten. Je kan deze taken ook steeds
doorsturen naar je persoonlijke docent via e-mail of met de post. Deze zal je taken dan
verbeteren en je er feedback op geven. Uiteraard kan je je docent ook steeds via e-mail
contacteren als je vragen hebt in verband met de cursus!
Hieronder vind je de mogelijkheden om je huistaken naar je docent te sturen:
A. Huistaken versturen via e-mail:
1. Zodra je één of meerdere huistaken hebt afgewerkt, kan je deze via e-mail doorsturen
naar het e-mailadres van je docent.
2. Vermeld duidelijk je naam, voornaam en studentennummer.
3. Het e-mailadres van je docent ontvang je bij je inschrijving
B. Huistaken versturen via de post:
1. Zodra je één of meerdere huistaken hebt afgewerkt, kan je deze ook opsturen via de post.
2. Je stuurt best een kopie van je werk op, zodat je het origineel zelf kan bewaren.
3. Stuur altijd een lege retourenveloppe mee met je huistaken. Voorzie deze enveloppe van
voldoende postzegels en schrijf je adres erop. Zorg ervoor dat je je enveloppe voldoende
gefrankeerd hebt, zodat je docent je taken gemakkelijk naar jou kan terugsturen.
4. Stuur je huistaken naar: Ondernemersschool, Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Centrum Voor Afstandsonderwijs 16
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
17. 3) Hoe kan ik inloggen op mijn persoonlijke studentenpagina?
Inloggen op de studentenpagina is heel eenvoudig. Je surft naar www.studentenpagina.be
in de titelbalk bovenaan. Je komt terecht op volgende pagina:
JOUW LOGIN:
studentxx
JOUW PASWOORD:
xxxxxxx
Vervolgens wordt er een login en een paswoord gevraagd. Je krijgt deze na je inschrijving
voor de cursus. Bij login typ je studentxx in. Het paswoord is xxxxxx. Let er wel op dat je
enkel kleine letters gebruikt en dat je alles aan elkaar typt. Klik vervolgens op het vakje
‘enter’. Opgelet: deze informatie wordt regelmatig geüpdated. Je kan dus best regelmatig
een kijkje nemen op deze studentenpagina.
4) Hoe kan ik mijn examen afleggen?
Als je heel de cursus hebt doorgenomen en alle huistaken hebt doorgestuurd, kan je tijdens
de kantooruren je examen afleggen op één van onze secretariaten in Antwerpen, Gent of
Hasselt. Je kan telefonisch een afspraak maken op het nummer 03/292.33.30 (liefst één
week op voorhand).
5) Hoe kan ik stage doen?
Om de praktijk onder de knie te krijgen, kan je stage doen bij jou in de buurt. Het is een
goede referentie om later professioneel aan de slag te gaan en praktijkervaring op te doen.
Je zoekt en kiest je stage zelf, wij zorgen voor je stagecontract, zodat je kan bewijzen dat je
bij ons een opleiding volgt. Dit stagecontract vraag je telefonisch (03/292/33/33) of via mail
(info@thuisstudie.be) aan bij het centrale secretariaat in Antwerpen.
6) Privé-lessen en workshops
Ook als je een thuisstudie volgt, is het mogelijk om privé-lessen of workshops te volgen bij je
docent. Meer informatie hierover kan je telefonisch of via mail aanvragen via onze
secretariaten.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 17
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
18. Handleiding bij de opleiding
1) Hoe kan ik inschrijven?
Om je in te schrijven voor een opleiding zijn er twee mogelijkheden. Ofwel schrijf je je in via
de website, ofwel kom je langs op één van onze secretariaten in Antwerpen, Gent of Hasselt.
2) Hoe kan ik huistaken inzenden?
Bij elk hoofdstuk in de cursus zal je oefeningen en huistaken vinden. De oplossingen zijn
vaak terug te vinden op de studentenpagina op het internet. Op deze pagina kan je
communiceren met je docent of met andere studenten. Je kan deze taken ook steeds
doorsturen naar je persoonlijke docent via e-mail of met de post. Deze zal je taken dan
verbeteren en je er feedback op geven. Uiteraard kan je je docent ook steeds via e-mail
contacteren als je vragen hebt in verband met de cursus!
Hieronder vind je de mogelijkheden om je huistaken naar je docent te sturen:
A. Huistaken versturen via e-mail:
1. Zodra je één of meerdere huistaken hebt afgewerkt, kan je deze via e-mail doorsturen
naar het e-mailadres van je docent.
2. Vermeld duidelijk je naam, voornaam en studentennummer.
3. Het e-mailadres van je docent ontvang je bij je inschrijving
B. Huistaken versturen via de post:
1. Zodra je één of meerdere huistaken hebt afgewerkt, kan je deze ook opsturen via de post.
2. Je stuurt best een kopie van je werk op, zodat je het origineel zelf kan bewaren.
3. Stuur altijd een lege retourenveloppe mee met je huistaken. Voorzie deze enveloppe van
voldoende postzegels en schrijf je adres erop. Zorg ervoor dat je je enveloppe voldoende
gefrankeerd hebt, zodat je docent je taken gemakkelijk naar jou kan terugsturen.
4. Stuur je huistaken naar: Ondernemersschool, Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Centrum Voor Afstandsonderwijs 18
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
19. DEEL I: FYSISCHE EIGENSCHAPPEN VAN DE MATERIE
Centrum Voor Afstandsonderwijs 19
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
20. 1 Algemene inleiding
1.1 Materie en stoffen
Fysica bestudeert de eigenschappen van stoffen of materie. Alle voorwerpen zijn
opgebouwd uit één of meer stoffen. Materie is een meer algemene naam of een
verzamelnaam voor stoffen.
Materie heeft als eigenschap dat ze een massa heeft en een volume inneemt. De massa
van een stof drukken we uit in kilogram (kg) en het volume in kubieke meter (m³).
Onderstaande figuur geeft een overzicht van de bouw van de materie:
Materie is dus opgebouwd uit mengsels of zuivere stoffen:
- Zuivere stoffen worden onderverdeeld in:
o Enkelvoudige stoffen: dit zijn stoffen die slechts één element bevatten. Zuivere
stoffen zijn dus samengesteld uit één atoomsoort. Een voorbeeld van een
enkelvoudige stof is zuurstof (O2).
o Samengestelde stoffen: dit zijn stoffen die opgebouwd uit zijn meerdere
atoomsoorten. Zuiver water is opgebouwd uit twee waterstofatomen en een
zuurstofatoom (H2O) en is dus een samengestelde stof.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 20
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
21. - Een mengsel bevat twee of meer zuivere stoffen. Een voorbeeld van een mengsel is
mineraal water, dat naast H2O ook verschillende stoffen bevat zoals kalium, calcium
enzovoort. Mineraalwater is dus een mengsel van verschillende stoffen. Bij mengsels
maken we een onderscheid tussen:
o Homogene mengsels: de verschillende samenstellende componenten kunnen
hierin niet meer onderscheiden worden, zoals lucht of suikerwater.
o Heterogene mengsels: de verschillende componenten kunnen onderscheiden
worden. Een voorbeeld hiervan is fruitsap.
1.2 Massa, volume en dichtheid
De massa van een stof wordt uitgedrukt in kilogram (kg) en geeft aan hoeveel materie een
object bevat. Massa is onafhankelijk van druk en temperatuur.
Het volume geeft aan hoeveel ruimte een object inneemt en wordt uitgedrukt in kubieke
meter (m³). Het volume is afhankelijk van druk en temperatuur.
De dichtheid van een stof geeft aan hoeveel materie een bepaald volume van deze stof
bevat. Zo heeft goud een grotere dichtheid dan hout. De dichtheid wordt uitgedrukt in kg/m³.
De dichtheid ρ van een stof wordt aan de hand van de volgende vergelijking bepaald:
Hierbij is m de massa van de stof en V het volume van de stof. Hieruit blijkt dus dat de
dichtheid afhankelijk is van druk en temperatuur. Het vergelijken van dichtheden van
verschillende stoffen dient steeds onder dezelfde omstandigheden van druk en temperatuur
te gebeuren.
1.3 Ondoordringbaarheid van stoffen
Daar waar een stof aanwezig is, kan tegelijkertijd geen andere stof aanwezig zijn. Wanneer
we een object in water onderdompelen, dan merken we op dat het waterpeil stijgt. Dit is een
gevolg van de ondoordringbaarheid van stoffen.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 21
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
22. 1.4 Oplosbaarheid van stoffen
Als een stof met een vloeistof gemengd kan worden, dan is de stof oplosbaar. De stof die
men in de vloeistof oplost, wordt de opgeloste stof genoemd. De vloeistof wordt het
oplosmiddel genoemd. Het mengsel van oplosmiddel en opgeloste stof noemt men de
oplossing.
Een verzadigde oplossing is een oplossing waarin de maximale hoeveelheid van een stof
is opgelost. Wanneer een oplossing verzadigd is, is het niet meer mogelijk om nog meer van
de stof op te lossen in een zelfde hoeveelheid oplosmiddel.
1.5 Intermoleculaire aantrekkingskrachten
1.5.1 Inleiding
De atomen in een molecule blijven samen door intramoleculaire kracht: dit is niets anders
dan de atoombinding (zie hiervoor het vak toegepaste chemie).
De moleculen in een vaste stof of vloeistof blijven samen door de zogenaamde
intermoleculaire krachten. Hoe groter deze krachten, hoe meer energie nodig is om de
moleculen van elkaar los te maken. Deze bindende krachten zijn elektrische krachten. We
zullen hierop in deel II van deze cursustekst dieper op in gaan.
Er bestaan vier soorten intermoleculaire aantrekkingskrachten: de Vanderwaalskrachten,
dipool – dipool interacties, de waterstofbruggen en de ion – dipool interacties.
1.5.2 Vanderwaalskrachten
De Vanderwaalskrachten zijn zwakke krachten: de sterkte hangt af van het gemak
waarmee de elektronenwolk kan vervormd worden. Grote atomen of moleculen bezitten veel
elektronen, waarvan een gedeelte zich ver van de atoomkern bevindt. Hoe verder van de
atoomkern, hoe groter de Vanderwaalskrachten (de elektronenwolk kan dan gemakkelijker
vervormen).
Centrum Voor Afstandsonderwijs 22
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
23. De sterkte van de Vanderwaalskrachten hangt voornamelijk af van de grootte van de
moleculen: hoe groter de moleculen, hoe sterker de Vanderwaalskrachten zijn. De sterkte
hangt ook af van de vorm van de moleculen: hoe minder vertakking de molecule bevat, hoe
sterker de Vanderwaalskrachten zijn.
1.5.3 Dipool – dipool interacties
Bij een atoombinding tussen ongelijksoortige atomen is het bindend elektronenpaar
verschoven. We spreken dan van een polaire binding. Zie hiervoor onderstaande figuur.
H Cl
Bij dipoolmoleculen vallen de zwaartepunten van de positieve en de negatieve ladingen
niet samen. De molecule heeft hierdoor aan de ene kant een gedeeltelijke positieve lading
(δ+) en aan de andere kant een gedeeltelijk negatieve lading (δ-). Een dipool wordt
aangegeven met een pijl waarvan de punt wijst in de richting van de negatieve lading. Als
een stof opgebouwd is uit moleculen die geen dipool zijn, dan spreken we van een apolaire
stof.
Dipoolmoleculen oefenen een wisselwerking uit op elkaar: de positieve kant van de ene
molecule wordt aangetrokken door de negatieve kant van de andere molecule en
omgekeerd. Dit noemen we dipool – dipool – interacties, die een gevolg zijn van de
elektrostatische wisselwerking tussen tegengesteld geladen delen van de moleculen.
Onderstaande figuur illustreert deze wisselwerking:
δ+ δ- δ+ δ-
δ+ δ- δ+ δ- δ+ δ-
δ+ δ- δ+ δ-
Centrum Voor Afstandsonderwijs 23
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
24. 1.5.4 Waterstofbruggen
Waterstofbruggen komen enkel voor indien waterstof gebonden is aan zuurstof – ,
stikstof – en fluoratomen. Een waterstofbrug ontstaat tussen een H – atoom dat aan een
O, N of F – atoom gebonden is en een O, N of F – atoom waaraan één of meer H – atomen
gebonden zijn.
1.5.5 Ion – dipool interacties
Een ion – dipool interactie ontstaat tussen een ion en een dipool. Zie hiervoor onderstaande
figuur:
δ- δ- δ+ δ+
+ –
δ- δ- δ+ δ+
1.6 SI – eenheden
In het Internationale Stelsel van Eenheden (of SI – stelsel) worden de volgende zeven,
onderling onafhankelijk basiseenheden gedefinieerd:
Grootheid Naam basiseenheid Symbool
Lengte Meter m
Massa Kilogram kg
Tijd Seconde s
Elektrische stroom Ampère A
Absolute temperatuur Kelvin K
Hoeveelheid stof Mol mol
Lichtsterkte Candela cd
Overige eenheden, de afgeleide eenheden genoemd, worden naargelang de noodzaak in de
cursustekst herhaald.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 24
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
25. 1.7 Oefeningen
1. Geef een voorbeeld van:
a. een homogeen mengsel:
b. een heterogeen mengsel:
c. een enkelvoudige zuivere stof:
d. samengestelde zuivere stof:
2. Beschouw de materie “zeewater – zand – schelpen”. Bespreek de bouw van dit
mengsel aan de hand van een boomstructuur (zoals op pagina 12). Geef hierbij de
homogene en heterogene samenstellende stoffen weer en de zuivere stoffen.
3. Duid de juiste bewering aan:
a. Vanderwaalskrachten zijn sterke intermoleculaire krachten, die in sterkte
groter zijn dan de waterstofbruggen.
b. Waterstofbruggen komen enkel voor wanneer een waterstofatoom gebonden
is aan een F -, O- of een N – atoom. Waterstofbruggen zijn zwakke
intermoleculaire krachten in vergelijking met Vanderwaalskrachten.
c. Waterstofbruggen zijn sterkere intermoleculaire krachten in vergelijking met
Vanderwaalskrachten.
4. Het verschijnsel dat olie boven water blijft drijven is te verklaren door:
a. De dichtheid van olie: deze is groter dan die van water.
b. De dichtheid van olie: deze is kleiner dan die van water.
c. De intermoleculaire krachten tussen olie en watermoleculen.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 25
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
26. 5. Bereken de dichtheid van:
a. 5 liter water (H2O):
b. 1 liter zuurstof (O2):
c. liter koolstofdioxide (CO2):
6. Geef een rangschikking van de intermoleculaire krachten van klein naar groot
(zwakste kracht eerst, sterkste kracht laatst).
7. Verklaar waarom watermoleculen een veel grotere samenhang hebben in vergelijking
met zuurstofmoleculen in lucht?
8. Geef aan of de volgende beweringen JUIST of FOUT zijn. Motiveer je keuze indien
de bewering fout is.
a. Een voorbeeld van een ion – dipool interacties is de oplossing van keukenzout
(NaCl) in water.
b. Mineraal water is een zuivere stof.
c. Zuurstof is een mengsel.
d. Waterstofbruggen zijn zwakker dan de Vanderwaalse krachten.
e. De eenheid van massa is kg.
f. De eenheid van lichtsterkte is cd.
g. De eenheid van lengte is m en is een afgeleide eenheid.
h. De eenheid van kracht is N en is een afgeleide eenheid.
i. Watermoleculen zijn een goed voorbeeld van dipool – dipool interacties.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 26
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
27. 2 Aggregatietoestanden en het deeltjesmodel
2.1 De drie fasen van een stof
Een stof kan in de drie zogenaamde fasen of aggregatietoestanden voorkomen: de vaste
fase, de vloeibare fase en de gasvormige fase. Water bijvoorbeeld kan voorkomen als ijs
(vast), als water (vloeibaar) en als waterdamp (gas).
Stoffen kunnen van de ene fase in de andere fase overgaan, van vaste stof naar vloeistof,
of van vloeistof naar gas, of omgekeerd. We noemen dit een faseovergang. De overgang
van de vaste fase naar de vloeibare fase wordt smelten genoemd. Het omgekeerde proces,
de overgang van vloeistof naar vaste stof, wordt stollen genoemd. Indien het om de stof
water gaat, dan spreekt men van bevriezen in plaats van stollen.
Sommige vaste stoffen kunnen rechtstreeks in de gasvormige toestand overgaan, zonder
eerst vloeibaar te worden. Dit proces wordt sublimeren genoemd. Het omgekeerde proces,
de overgang van vloeibaar naar vast, wordt rijpen (of ook sublimeren) genoemd.
De overgang van de vloeibare fase naar de gasvormige fase wordt verdampen genoemd.
Omgekeerd: de overgang van de gasfase naar de vloeistoffase wordt condenseren
genoemd.
Onderstaande figuur geeft een overzicht van de drie aggregatietoestanden en de
faseovergangen van een stof weer:
Centrum Voor Afstandsonderwijs 27
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
28. 2.2 Het deeltjesmodel
De kenmerken van de aggregatietoestanden worden aan de hand van het deeltjesmodel
verklaard.
In het deeltjesmodel worden de volgende veronderstellingen gemaakt:
1. Iedere stof is opgebouwd uit zeer kleine deeltjes, die de moleculen genoemd worden. De
moleculen bezitten dezelfde eigenschappen als de stof.
2. Elke stof bestaat uit zijn eigen soort moleculen. Bijvoorbeeld: water bestaat uit
watermoleculen en suiker uit suikermoleculen.
3. De moleculen zijn voortdurend in beweging. Bij een hogere temperatuur zullen de
moleculen zich sneller gaan bewegen.
4. De moleculen van een stof veranderen niet als de stof van fase verandert. Het zijn
steeds dezelfde moleculen. Bijvoorbeeld: water heeft steeds dezelfde moleculen, of het
water nu vast (ijs), vloeibaar of gasvormig (waterdamp) is.
5. De moleculen trekken elkaar aan. Hoe dichter de moleculen bij elkaar liggen, hoe sterker
de aantrekkingskracht.
6. Elke molecule is opgebouwd uit nog kleinere deeltjes, die we atomen noemen.
2.3 Vaste stoffen, vloeistoffen en gassen
In een vaste stof bevinden de deeltjes zich dicht bij elkaar. Zie hiervoor nevenstaande
figuur. De deeltjes zijn regelmatig geordend en oscilleren of trillen op een vaste plaats. Bij
een vaste stof bewegen de deeltjes dus niet t.o.v. elkaar. Dit impliceert dat de vaste stof een
eigen vorm en volume heeft en is dus niet samendrukbaar. Het breken van een vaste stof
vereist energie, zoals het breken van ijs door middel van een hamertje.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 28
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
29. Tussen de deeltjes van vaste stoffen bestaan dus sterke intermoleculaire
aantrekkingskrachten. De beweeglijkheid van de deeltjes neemt toe bij toenemende
temperatuur.
In een vloeistof hebben de deeltjes een grotere beweeglijkheid. De deeltjes blijven dicht
bij elkaar, maar kunnen t.o.v. elkaar verschuiven of rollen. In dit geval is er geen sprake
van een regelmatige schikking van de deeltjes. Dit heeft als gevolg dat vloeistoffen geen
eigen vorm hebben: ze nemen de vorm aan van het vat waarin ze zich bevinden. De
aantrekkingskrachten tussen de deeltjes zijn zwakker dan bij vaste stoffen (het roeren van
water is veel gemakkelijker dan ijs).
In de gasvormige fase of toestand bevinden de deeltjes zich verder van elkaar en bewegen
wanordelijk t.o.v. elkaar in de beschikbare ruimte (in het vat waarin ze zich bevinden).
Gassen zijn samendrukbaar. Bij verhoogde druk worden de deeltjes dichter bij elkaar
gedrongen en zal uiteindelijk condensatie optreden.
Bepaalde moleculen bevinden zich frequent in een vierde fase, de zogenaamde mesofase.
Deze fase bevindt zich tussen de vloeibare en de kristallijne vaste fase. Deze zogenaamde
vloeibare kristallijne toestand wordt later besproken.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 29
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
30. 2.4 Invloed van de temperatuur
Als de temperatuur van een stof stijgt, dan zullen de moleculen sneller gaan bewegen. Dit
geldt zowel voor moleculen in een vaste stof, in een vloeistof, alsook in een gas. In de vaste
fase gaan de moleculen sneller rond hun evenwichtsstand trillen. In een vloeistof zullen de
moleculen zich sneller ten opzichte van elkaar gaan bewegen. Ook in een gas bewegen de
moleculen met een hogere snelheid naarmate de temperatuur toeneemt. Dit impliceert dat
de botsingen tegen de wanden van hun houder krachtiger zullen worden. Hierdoor zal de
druk van een gas in een afgesloten ruimte, zoals een fles, dus ook toenemen.
2.5 Oefeningen
1. Smelten is het fysisch verschijnsel waarbij:
a. Een vloeistof overgaat in de gasfase.
b. Een vaste stof overgaat in de vloeibare fase.
c. Een gas overgaat in de vaste fase.
d. Een vloeistof overgaat in de vaste fase.
2. De overgang van de gasfase naar de vloeibare fase noemt men:
a. Sublimeren
b. Smelten
c. Stollen
d. Condenseren
Centrum Voor Afstandsonderwijs 30
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
31. 3. Een vaste stof wordt gekenmerkt door:
a. Sterke intermoleculaire aantrekkingskrachten, een eigen vorm en een eigen
volume.
b. Zwakke intermoleculaire aantrekkingskrachten, geen eigen vorm en geen
eigen volume.
c. Beweeglijke deeltjes, een eigen vorm en een eigen volume.
d. Een wanordelijke ordening van de deeltjes.
4. De aantrekkingskracht tussen de moleculen in een stof is het kleinst bij:
a. Een vaste stof
b. Een vloeistof
c. Een gas
d. Geen van de drie: de aantrekkingskracht is bij alle fasen even groot.
5. Geef telkens twee voorbeelden uit het dagelijks leven van:
a. Smelten:
o ________________________________________________________
o ________________________________________________________
b. Stollen:
o ________________________________________________________
o ________________________________________________________
c. Verdampen:
o ________________________________________________________
o ________________________________________________________
Centrum Voor Afstandsonderwijs 31
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
32. d. Condenseren:
o ________________________________________________________
o ________________________________________________________
e. Sublimeren:
o ________________________________________________________
o ________________________________________________________
f. Rijpen:
o ________________________________________________________
o ________________________________________________________
6. In welke fase zijn de Vanderwaalskrachten het grootst?
a. In de gasfase.
b. In de vloeibare fase.
c. In de vaste fase.
7. Hoe kun je verklaren dat het kookpunt van water (100°C) veel hoger ligt dan het
kookpunt van propaan (36°C)?
8. Geef voor elke aggregatietoestand de meest kenmerkende intermoleculaire kracht
voor die fase? Bijvoorbeeld: voor water, als vloeistof, zijn de Vanderwaalsekrachten
en waterstofbruggen de kenmerkende intermoleculaire krachten.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 32
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
33. 3 Gassen en gaswetten
3.1 De druk van een gas
Onderstaande figuur stelt een vat voor waarin zich een gas bevindt. De pijltjes stellen de
snelheid en de bewegingszin van de moleculen voor. Als de moleculen tegen de wand van
het vat botsen, dan worden ze door de wand teruggekaatst. Bij elke botsing ondervindt de
wand van het vat dus een kracht (vanwege de botsing). Alle krachten, ten gevolge van de
botsingen, leveren de druk op die het gas op de wand uitoefent.
Botsingen van de moleculen geven druk op de wand
3.2 Wet van Boyle
In de 17de eeuw voerde de Ierse onderzoeker Robert Boyle onderzoek naar het verband
tussen de druk van een gas en de grootte van het volume van het gas. Hiervoor hield hij de
temperatuur steeds constant. Het resultaat van zijn experimenten is de volgende wet, die
geldig is voor alle gassen:
De wet van Boyle:
Bij een constante temperatuur en een constante hoeveelheid gas is het product van
de druk van een gas en het volume van dat gas een constante:
pV = constant
Centrum Voor Afstandsonderwijs 33
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
34. Met p = druk de in Pa (Pascal) en V het volume in m³.
Indien we het volume van een gas verdubbelen, dan volgt uit deze wet dat de druk van dat
gas zal halveren.
De wet van Boyle wordt verklaard aan de hand van het deeltjesmodel: gassen zijn
opgebouwd uit kleine (ondeelbare) deeltjes, waarbij de deeltjes kriskras door elkaar heen
bewegen. De druk van een gas is een gevolg van de botsingen van de deeltjes tegen de
wanden van de houder van het gas. Een kleiner volume zorgt er dus voor dat de deeltjes
vaker tegen de wanden botsen, wat dus een toename in druk betekent. Een groter
volume betekent minder botsingen tegen de wanden en dus ook een lagere druk.
3.3 Het absoluut nulpunt
De Franse wetenschapper Gay-Lussac deed eveneens onderzoek naar het gedrag van
gassen. Hij liet bij de uitvoering van zijn experimenten de temperatuur wel variëren en hield
hierbij het volume constant. Zo onderzocht Gay-Lussac dus het verband tussen druk en
temperatuur. Onderstaande grafiek geeft het resultaat van zijn onderzoek weer.
We stellen hierbij het volgende vast: als we de druk p willen laten zakken tot 0Pa, dan
merken we op dat hiermee een negatieve temperatuur overeenkomt. De druk van een gas is
nul bij een temperatuur T = - 273,15°C. Deze temperatuur wordt het absoluut nulpunt
genoemd en is de laagst mogelijke temperatuur die kan voorkomen.
De Kelvin – schaal is gedefinieerd aan de hand van het absoluut nulpunt: 0 Kelvin (symbool
K) = -273,15°C. Een temperatuursstijging van 1K komt overeen met een temperatuursstijging
van 1°C.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 34
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
35. 3.4 De wetten van Gay – Lussac
De drukwet van Gay – Lussac:
De verhouding tussen de druk en de temperatuur van een gas is constant bij constant
volume:
p/T = constant
De volumewet van Gay – Lussac:
De verhouding tussen het volume en de temperatuur is constant bij constante druk:
V/T = constant
3.5 De Algemene gaswet
Bovenstaande drie wetten kunnen gecombineerd worden tot één gaswet, die we de
algemene gaswet noemen:
De algemene gaswet:
pV = nRT
met p = de druk van het gas in Pa, V = het volume van het gas in m³, n = aantal
gasdeeltjes in mol, T = temperatuur in Kelvin en R = de gasconstante = 8,314 J/mol.K.
3.6 Oefeningen
1. Als het volume van een gas (bij constante druk) toeneemt, dan:
a. Neemt de temperatuur van het gas af,
b. Neemt de temperatuur van het gas toe,
c. Blijft de temperatuur van het gas constant.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 35
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
36. 2. De temperatuur van een gas heeft:
a. Een invloed op de druk van het gas,
b. Een invloed op het aantal deeltjes in een gas,
c. Een invloed op de gasconstante R,
3. Bij toenemende druk en constante temperatuur, zal:
a. Het volume van een gas toenemen,
b. Het volume van een gas afnemen,
c. Het volume van een gas constant blijven.
4. Beschouw een volume van 1 liter bij een druk van 101,30kPa en een temperatuur van
25°C.
a. Wat is het volume bij een druk van 120kPa?
b. Indien het volume toeneemt tot 2 liter, welke druk hebben we dan?
c. Wat gebeurt er bij een temperatuurstoename van 20K?
d. Bepaal het aantal deeltjes n?
5. Een ballon van 10 liter wordt op een op hoogte van 10m gebracht. Welk volume heeft
de ballon nu? Welk volume zal de ballon hebben of 20m, 30m en 40m hoogte?
6. Een vrijduiker (duiker zonder duikfles) heeft een longinhoud van 6 liter en duikt naar
30 meter. Welke longvolume heeft hij op die diepte?
7. Een duiker zet zijn pas gevulde fles die langzaam en met veel koeling gevoeld werd
in de zon (20°C). Na een uur is de fles heet geworden (100°C) door de zon. Bepaal
de druk bij 100°C?
Centrum Voor Afstandsonderwijs 36
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
37. 8. Een bijna lege autoband bezit een volume van 0,001 m3. De druk in de band is 2 ⋅
105 Pa. Hoe groot wordt het volume als je de band oppompt totdat de druk 3 ⋅ 105 Pa
bedraagt (veronderstel dat de temperatuur constant blijft).
9. Een ballon bezit een volume van 35 l. Hoe groot wordt het eindvolume als je de druk
in de ballon met 40% laat stijgen (veronderstel dat de temperatuur constant blijft).
10. Een springbal heeft een volume van 45,00 l. Bij een temperatuur van 25°C bedraagt
de druk in de bal 1200 hPa. Wanneer je op de bal zit, wordt het volume bij diezelfde
temperatuur 41,20l. Bereken de einddruk.
11. Een zuiger met een beginvolume van 1,0 dm3 wordt bij een omgevingstemperatuur
van 20°C geëxpandeerd, bij een constante druk, naar een volume van 2,0 dm3.
Bereken de eindtemperatuur van dit systeem.
12. Een hoeveelheid gas bezit een temperatuur van 500 K. Hoe groot moet de
temperatuur worden als je het volume drie keer groter laat worden (veronderstel dat
de druk constant blijft).
13. In een cilinder zit een bepaalde hoeveelheid gas bij 100°C. Bereken de temperatuur
tot dewelke je de cilinder moet opwarmen als je het volume met 60% wilt laten
toenemen (veronderstel dat de druk constant blijft).
14. Een vat is met (een constant volume) 15,0 l lucht gevuld bij een druk van 150 hPa bij
een temperatuur van 20 °C. Hoe hoog wordt de druk als je het vat in de zon zet en de
temperatuur stijgt tot 35°C.
15. Van een hoeveelheid gas wordt het volume bij 50°C constant gehouden. Bereken de
temperatuur die nodig is om het volume te verdubbelen.
16. In een autoband heerst bij 10°C een druk van 200 kPa. Bereken de druk in die band
bij een temperatuur van 30°C als het volume constant blijft.
17. In een autoband heerst bij 17°C een druk van 274 ⋅ 103 Pa. Na een tochtje met de
auto stijgt de temperatuur in de band tot 67°C. Door deze temperatuursstijging neemt
het volume van de lucht in de band toe van 50 ⋅ 10-3 m3 tot 52 ⋅ 10-3 m3. Bereken de
einddruk.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 37
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
38. 4 Smelten en stollen
4.1 Verklaring aan de hand van het deeltjesmodel
Een faseovergang gebeurt meestal wanneer er energie aan de stof wordt toegevoegd of
weggenomen. Wanneer warmte (vorm van energie) wordt toegevoegd aan een stof, dan
bekomen de moleculen of atomen voldoende energie om zich van de andere moleculen of
atomen los te maken. De moleculen of atomen gaan zich hierdoor sneller en vrijer ten
opzichte van elkaar bewegen. De aantrekkingskrachten tussen de deeltjes worden kleiner,
de deeltjes verschuiving zich t.o.v. elkaar en de vaste toestand gaat over in de vloeibare
toestand.
Het proces waarbij een vaste stof in een vloeistof verandert wordt smelten genoemd. De
temperatuur waarbij deze overgang gebeurt wordt het smeltpunt genoemd. Elke stof wordt
gekenmerkt door een eigen smeltpunt (zie later). Tijdens het smelten wordt dus warmte aan
de stof toegevoegd om de aantrekkingskrachten tussen de deeltjes te verzwakken. Deze
warmte wordt de smeltwarmte genoemd.
Wanneer aan een vloeistof energie onttrokken wordt (bijv. door koeling), dan verliezen de
moleculen of atomen hun energie om snel en vrij te kunnen bewegen. De deeltjes komen
terug dichter bij elkaar te liggen en de onderlinge aantrekkingskracht wordt weer groter. De
deeltjes worden terug geordend in het kristalrooster: de vloeistoffase gaat hierbij over in de
vaste fase. Dit proces heet stollen en de temperatuur waarbij dit optreedt wordt het
stolpunt genoemd. Tijdens het stollen geeft de stof dus warmte af aan de omgeving. Deze
warmte wordt de stolwarmte genoemd: door de ordening van de deeltjes in het
kristalrooster ontstaat er een rest aan energie die als warmte vrijkomt.
Het meest bekende voorbeeld van smelten en stollen is water en ijs. Wanneer we een
ijsblokje uit de diepvriezer halen en deze bij kamertemperatuur in een glas leggen, dan zal
de omgeving (kamer) warmte afgeven aan het ijsblokje. Hierdoor krijgen de watermoleculen
extra energie onder de vorm van warmte toegevoegd. De moleculen worden hierdoor
beweeglijker en de intermoleculaire aantrekkingskrachten kleiner, zodat het ijsblokje na
enige tijd overgaat in water.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 38
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
39. Neem een glas water en plaats het glas in de diepvriezer. Na enige tijd merken je op dat het
water begint te stollen. Van zodra je de beker in de diepvriezer plaatst, zal het water energie
onder de vorm van warmte afgeven aan de omgeving (diepvriezer). De moleculen verliezen
dus energie en zullen minder snel gaan bewegen. Na enige tijd hebben de moleculen zoveel
energie verloren, dat ze enkel rond een bepaalde (evenwichts)positie zullen blijven trillen.
Het water is dus bevroren tot ijs (water stolt niet, maar bevriest).
4.2 Smelt – en stolproces bij zuivere stoffen
Tijdens het smelten stijgt de temperatuur niet maar neemt de stof de toegevoerde warmte op
om te smelten. Zie hiervoor onderstaande figuur. Omgekeerd, tijdens het stollen daalt de
temperatuur van de stof niet, maar geeft de stof de warmte af aan de omgeving om te
kunnen stollen.
Zuivere stoffen hebben een duidelijk waarneembaar smeltpunt: als een zuivere stof
smelt, dan heeft de stof alle energie van buitenaf nodig om over te gaan van de vaste fase
naar vloeibare fase. Bovenstaande figuur geeft de smeltcurve weer van blokje ijs dat smelt
van -10°C tot op kamertemperatuur (20°C). Wanneer we de tijd tijdens het smeltproces
meten, dan merken we dat rond de nul graden de temperatuur een tijdje niet stijgt. Dit wijst
dus op het smeltpunt, die we experimenteel duidelijk kunnen waarnemen.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 39
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
40. Het smeltpunt is een belangrijke fysische eigenschap van een zuivere stof. Aan de hand van
het smeltpunt kunnen zuivere stoffen geïdentificeerd worden. Zoals hierboven vermeld
werd, hebben zuivere stoffen een duidelijk waarneembaar smeltpunt. Een zuivere stof
smelt bij een welbepaalde temperatuur en is enkel afhankelijk van de druk. De druk kan in
het algemeen als een constante beschouwd worden, aangezien de atmosferische druk geen
plotse en grote veranderingen ondergaat.
Onderstaande tabel geeft een overzicht van het smeltpunt van enkele zuivere stoffen:
Stof Smeltpunt (°C)
Alcohol -114
IJzer 1538
Butaan -12
Water 0
Stikstof -196
Natrium 98
Zuurstof -219
De fase waarin een stof zich bevindt, hangt af van de temperatuur. Is de temperatuur
kleiner dan het smeltpunt van de stof, dan bevindt de stof zich in de vaste fase. Bij
kamertemperatuur hebben alle vloeistoffen een smeltpunt dat onder de
kamertemperatuur ligt. Vaste stoffen hebben een smeltpunt dat hoger ligt dan de
kamertemperatuur. Aan de hand van bovenstaande tabel kunnen we bepalen wat de
toestand is van een stof bij een gekozen temperatuur. Gassen worden gekenmerkt door een
zeer laag smeltpunt en zeer laag kookpunt (zie later).
Voorbeelden:
- Water heeft een smeltpunt van 0°C en zal bij een kamertemperatuur van 22°C
vloeibaar zijn.
- Zuurstof heeft een smeltpunt van -219°C en bevindt zich bij kamertemperatuur in de
gasfase.
- IJzer komt bij kamertemperatuur als vaste stof voor, omwille van een zeer hoog
smeltpunt van 1538°C.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 40
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
41. 4.3 Smelttraject bij samengestelde stoffen
Stoffen die niet zuiver zijn, hebben een smelttraject. Een niet zuivere stof of een
samengestelde stof is samengesteld uit twee of meerdere stoffen. Beschouw een mengsel
van twee stoffen A (smeltpunt: 40°C) en B (smeltpunt: 50°C). Bij een temperatuurstoename
zal bij 40°C stof A beginnen te smelten. Een gedeelte van de toegevoerde warmte wordt dus
aangewend om stof A te smelten. Het overige gedeelte wordt gebruikt om stof B verder te
verwarmen tot zijn smeltpunt. Aangezien de temperatuur over het volledige traject blijft
toenemen, merken we geen smeltpunt op, maar een smelttraject. Zie hiervoor onderstaande
figuur.
4.4 Smeltpuntsverlaging
4.4.1 Inleiding
In de winter wordt bij vriesweer zout op de wegen gestrooid om gladde wegen te voorkomen.
Water heeft een normaal vriespunt (“stolpunt”) van 0°C. Wanneer we zout aan het water
toevoegen, dan kan het mengsel (zout en water) tot enige graden onder nul afgekoeld
worden zonder te bevriezen. Door zout op de wegen te strooien, bekomt men aan het
wegoppervlak een mengsel van water en zout dat een lagere vriespunt heeft dan 0°C.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 41
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
42. Dit verschijnsel is ook bij andere oplossingen waar te nemen: omdat het smeltpunt of
stolpunt hierdoor verlaagd wordt, spreken we van smeltpuntsverlaging. Bij water spreekt
men van vriespuntsverlaging.
De verlaging van het smeltpunt of vriespunt blijkt enkel afhankelijk te zijn van het aantal
deeltjes aan opgeloste stof en oplosmiddel. Het oplossen van 1 mol NaCl (zout) in 100g
water geeft aanleiding tot een vriespuntsverlaging van 18,6°C. 1 mol NaCl komt overeen met
een gewicht van 58,5g (scheikunde 4de middelbaar: stoechiometrie). Het mengsel water en
NaCl wordt pekel genoemd.
De voorwaarde om een smeltpuntsverlaging te bekomen is dat de toe te voegen stof
oplosbaar is in het oplosmiddel. Zout is oplosbaar in het oplosmiddel water, zodat we van
een vriespuntsverlaging kunnen spreken.
4.4.2 Verklaring aan de hand van het deeltjesmodel
Door toevoeging van zout (NaCl) aan water (oplosmiddel) dissocieert het zout in een Na+ en
Cl- - ionen. Deze (kleine) ionen zullen de lege posities tussen de (grote) watermoleculen
innemen. Hierdoor wordt de vorming van het kristalrooster van ijs verstoord: de
aantrekkingskrachten tussen de watermoleculen zijn, omwille van de aanwezigheid van
NaCl, afgenomen. Verder zijn de aantrekkingskrachten tussen water en NaCl zeer klein. Dit
heeft als gevolg dat de overgang van vloeibaar naar vast niet meer bij 0°C zal plaatsvinden,
maar bij een lagere temperatuur.
Om toch een rooster te vormen (vaste stof) is een lagere temperatuur nodig: de moleculen
worden minder beweeglijker t.o.v. elkaar en de aantrekkingskrachten worden groter. Dit
gebeurt bij een lagere temperatuur die overeenkomt met de smeltpuntsverlaging of
vriespuntsverlaging.
Samengevat: onzuiverheden in een zuivere stof geven steeds aanleiding tot een
smeltpuntsverlaging.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 42
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
43. 4.4.3 Koudmakende mengsels
De zogenaamde instant cold packs worden in de sportwereld zeer vaak aangewend bij een
eerste behandeling van blessures. De bespreking wordt als opdracht aan de student
overgelaten:
Vertrek van het deeltjesmodel om de werking van koudmakende mengsels te
verklaren. Geef een cijfervoorbeeld met betrekking tot de gevormde temperatuur door
gebruik te maken van de definitie van endotherme reacties, zoals behandeld werd in
de scheikunde van het vierde jaar middelbaar. Het verslag dient via mail overgemaakt
te worden aan de docent.
4.5 Oefeningen
1. Wanneer energie toegevoegd wordt aan een stof, dan
a. stijgt de snelheid van de moleculen en stijgt de aantrekkingskracht tussen de
moleculen.
b. daalt de snelheid van de moleculen en stijgt de aantrekkingskracht tussen de
moleculen.
c. stijgt de snelheid van de moleculen en daalt de aantrekkingskracht tussen de
moleculen.
d. daalt de snelheid van de moleculen en daalt de aantrekkingskracht tussen de
moleculen.
2. De temperatuur waarbij een stof overgaat van vloeibaar naar vast, noemt men
a. het smeltpunt,
b. het stolpunt,
c. het kookpunt,
d. deze temperatuur bestaat niet.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 43
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
44. 3. Tijdens het smelten van een zuivere stof, is het smeltpunt
a. duidelijk waarneembaar,
b. niet duidelijk waarneembaar,
c. steeds gelijk aan 0°C,
d. geen van bovenstaande beweringen is juist.
4. Schets het smelttraject van het mengsel, dat samengesteld is uit de volgende stoffen:
- Stof A: smeltpunt = 21°C
- Stof B: smeltpunt = 78°C
5. Een glas is voor de helft gevuld met water (temperatuur = 0°C). Er wordt een ijsblokje
aan het water toegevoegd. Door warmteopname uit de omgeving smelt het ijsblokje.
Het niveau van het water zal dan:
a. Stijgen
b. Dalen
c. Constant blijven
6. Wat gebeurt er met het volume van water bij het bevriezen?
a. Het volume stijgt
b. Het volume daalt
c. Het volume blijft constant
Centrum Voor Afstandsonderwijs 44
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
45. 7. Geef aan of de volgende stellingen JUIST of FOUT zijn. Motiveer indien het antwoord
fout is.
a. Stollen de overgang van vloeibaar naar vast.
b. Water stolt.
c. Smelten is de overgang van vast naar vloeibaar.
d. IJs smelt.
e. Een stof smelt en stof bij een verschillende temperatuur.
f. Een stolcurve is een grafiek waarbij de temperatuur van de smeltende stof in
functie van de tijd uitgezet wordt.
g. Een mengsel heeft een smeltpunt.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 45
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
46. 5 Verdampen en condenseren
5.1 Verklaring aan de hand van het deeltjesmodel
5.1.1 Verdampen
Wanneer we een kleine hoeveelheid water in een beker verwarmen (koken), dan merken we
dat er na enige tijd waterdamp boven de beker ontstaat. We hebben hierbij dus een
overgang van de vloeibare fase naar de gasfase. De overgang van vloeistof naar gas wordt
verdampen genoemd.
De temperatuur waarbij deze overgang gebeurt wordt het kookpunt genoemd. Elke stof
wordt gekenmerkt door een eigen kookpunt (analoog aan het smeltpunt).
Onder invloed van de toegevoerde energie (warmte door koken), gaan de deeltjes
(moleculen of atomen) sneller bewegen. Hierdoor zijn de deeltjes voortduren in botsing
met elkaar, wat een toename in de snelheid van de deeltjes veroorzaakt. Tijdens de
botsing geeft het ene deeltje energie aan het andere. Dus een botsing resulteert altijd in de
toename van energie van een deeltje.
Voor de deeltjes die zich aan het vloeistofoppervlak bevinden is de snelheidstoename
voldoende groot om de aantrekkingskrachten tussen de deeltjes te overwinnen en de
vloeistof te verlaten. Zie hiervoor onderstaande figuur:
Hoge energie: deeltje ontspant aan de
vloeistof en gaat over in de gasfase
Medium energie: de aantrekkingskracht
tussen de deeltjes is nog net iets te groot.
Lage energie: deeltjes zijn vloeibaar.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 46
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
47. Indien de deeltjes de vloeistof verlaten, dan zegt men dat de vloeistof verdampt. De
nodige energie om te verdampen noemt men verdampingswarmte.
Merk op dat de verdamping steeds aan het vloeistofoppervlak gebeurt en bij elke
temperatuur. Het zijn de snelste deeltjes, dus deeltjes met de meeste energie, die de
vloeistof verlaten. Door verdamping koelt een vloeistof af.
Wanneer op een hete zomerdag uit het zwembad komt, dan verdampt het water op je huid
door onttrekking van warmte aan jouw lichaam. Jouw lichaam koelt hierdoor af, zodat je na
enige tijd gaat beginnen te bibberen van de koude.
5.1.2 Condenseren
De overgang van de gasfase naar de vloeibare fase wordt condenseren genoemd. We
beschouwen hiervoor het volgend experiment: verwarm in een beker een kleine hoeveelheid
water en houd een horlogeglas boven de beker. Op het horlogeglas zie je na enige tijd
waterdruppeltjes ontstaan: er treedt dus condensatie op.
Condenseren treedt op door afkoeling van de damp. Vanaf het moment dat de beker niet
meer verwarmd wordt, zullen de deeltjes ook geen energietoevoer meer hebben. Hierdoor
daalt de energie en dus ook de snelheid van de deeltjes. De aantrekkingskrachten tussen
de deeltjes wordt terug groter dan hun snelheid. Dit heeft als gevolg dat de deeltjes dichterbij
elkaar komen te liggen en er dus opnieuw een vloeistof wordt gevormd.
De temperatuur waarbij een stof gaat condenseren wordt het condensatiepunt genoemd en
is gelijk aan het kookpunt.
De warmte die vrijkomt bij het condenseren, noemt men condensatiewarmte. Het is de
energie die tijdens het verdampen werd opgenomen.
5.2 Kook– en condensatieproces bij zuivere stoffen
Analoog aan het smelt – en stolproces, kunnen we bij het kookproces van zuivere stoffen
eveneens een duidelijk waarneembaar kookpunt vaststellen. Bij toevoer van warmte zal de
temperatuur van de vloeistof in eerste instantie toenemen. Na enige tijd merken we op dat de
temperatuur van de vloeistof constant blijft bij het verder verwarmen van de vloeistof:
dit is het kookpunt van de vloeistof.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 47
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
48. De toegevoegde warmte wordt uitsluitend aangewend om de aantrekkingskrachten
tussen de deeltjes te overwinnen. Vandaar dat er geen toename is in temperatuur tijdens
het koken.
Bij een verdere verwarming van de vloeistof, zal na een bepaalde tijd de vloeistof overgaan
in een gas. Zie hiervoor onderstaande figuur.
Merk op dat we hier dus weer een grens hebben: onder het kookpunt bevindt een stof zich in
de vloeibare fase, boven het kookpunt in de gasfase. Het kookpunt van een stof is een
kenmerkende eigenschap van de stof. Het kookpunt hangt af van de aard van de stof.
Opgave:
Het omgekeerde proces, het condensatieproces, verloopt volledige analoog en wordt als
oefening aan de lezer overgelaten. Schets hierbij ook de curve van het stolproces van een
zuivere stof.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 48
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
49. 5.3 Kooktraject bij samengestelde stoffen
Indien we een mengsel aan de kook brengen, dan zullen we geen duidelijk kookpunt
waarnemen, maar wel een kooktraject. Hiervoor geldt eenzelfde bespreking als bij het
smelttraject bij samengestelde stoffen:
- Bij het verwarmen van het mengsel zal aanvankelijk de temperatuur van het mengsel
toenemen.
- Wanneer het kookpunt van de eerste stof bereikt wordt, dan zal de curve minder stijl
verlopen. Een deel van de toegevoerde warmte wordt nu aangewend om de eerste
stof te doen verdampen. Het overige deel van de toegevoerde warmte wordt gebruikt
om de andere stof te doen verwarmen tot aan zijn kookpunt.
- Wanneer de temperatuur boven de kookpunten van de stoffen (waaruit het mengsel
is samengesteld) komt te liggen, dan zal het mengsel overgaan in de gasfase.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 49
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
50. 5.4 Verzadigde en onverzadigde dampen
5.4.1 Definities
Boven een vloeistof bevindt zich altijd door verdamping een laagje gas. We noemen dit de
damp. Net zoals ieder gas, oefent deze damp ook een druk uit: de dampdruk genoemd.
Denk hierbij bijvoorbeeld aan een halfvolle gesloten fles water: boven het water bevindt zich
waterdamp.
Naast het ontsnappen van de snellere moleculen uit de vloeistof, zullen er ook moleculen uit
de damp weer gevangen kunnen worden in de vloeistof. Na een bepaalde tijd kunnen we
zeggen dat er zich een evenwicht instelt: er ontsnappen dan evenveel moleculen uit de
vloeistof als er weer ingevangen worden in de vloeistof. We zeggen dan dat de lucht
verzadigd is met de damp. De bijhorende dampdruk is de verzadigde dampdruk. Zolang
er geen evenwicht bereikt is en de ruimte boven de vloeistof wel nog extra stof kan
opnemen, spreken we van een onverzadigde damp.
De verzadigde dampdruk is afhankelijk van de temperatuur: hoe hoger de temperatuur,
hoe meer damp de lucht kan bevatten, hoe hoger de verzadigde dampdruk.
Een vloeistof bereikt zijn kookpunt bij die temperatuur, waarbij de verzadigde dampdruk
gelijk is aan de omgevingsdruk. Voor water is dit bij 100°C.
5.4.2 Verklaring aan de hand van het deeltjesmodel
We beschouwen een halfvolle gesloten fles water. Aan het vloeistofoppervlak treedt er dus
verdamping op, waarbij de moleculen de vloeistof verlaten. Op onderstaande figuur werd een
molecule die de vloeistof verlaat aan geduid met mv. Deze moleculen botsen tegen de
wanden van de fles en tegen elkaar. Tijdens de botsingen wisselen de moleculen energie uit
en de zin van snelheid verandert hierbij. Bepaalde moleculen krijgen dus een snelheid in de
richting van de vloeistof (naar beneden) en keren teug naar de vloeistof (mt).
Centrum Voor Afstandsonderwijs 50
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
51. mv mv
mt
Zolang de uitstroom (mv) groter is dan de terugkeer (mt) zullen er steeds meer
dampmoleculen in de ruimte boven het vloeistofoppervlak komen. Uiteindelijk zullen er
zoveel dampmoleculen aanwezig dat mv = mt. Vanaf dat moment blijft het aantal
dampmoleculen constant en is de damp verzadigd.
Bij een hogere temperatuur is de uitstroom (mv) van de moleculen groter: bij hogere
temperatuur hebben de moleculen hogere snelheden, zodat ze gemakkelijker kunnen
ontsnappen aan de vloeistof. Om evenwicht te bekomen (mv = mt), moeten de moleculen in
de damp dus dichterbij elkaar gaan liggen. Dit verklaart waarom een verzadigde damp bij
een hogere temperatuur meer moleculen bevat.
5.4.3 Verzadigingsdruk
De verzadigingsdruk is de druk die een damp uitoefent op de wanden van het vat. Deze
druk is afhankelijk van de temperatuur: de verzadigingsdruk van een damp neemt toe bij
toenemende temperatuur. Dit is eenvoudig te verklaring aan de hand van het
deeltjesmodel: de uitstroom van de moleculen neemt toe bij toenemende temperatuur. Om
evenwicht te bekomen dient dus de instroom van de moleculen even groot te zijn aan de
uitstroom. Dit betekent dus dat er meer moleculen zijn die zich aan hogere snelheden
bewegen in de ruimte boven de vloeistof: de botsingen tegen de wanden van het vat nemen
toe, zodat de druk dus ook toeneemt.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 51
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
52. Onderstaande figuur geeft de maximale dampdrukcurve van water (H2O), ethanol
(C2H5OH) en koolstofdioxide (CO2) weer. Op de horizontale as staat de temperatuur (in
Kelvin) uitgezet en op de verticale as de dampdruk van het gas in MPa (106Pa).
Een verzadigingskromme geeft de maximale hoeveelheid waterdamp in lucht (g/m³) weer
in functie van de temperatuur. Zie hiervoor onderstaande figuur:
Centrum Voor Afstandsonderwijs 52
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
53. Uit de grafiek kunnen we dus afleiden dat warme lucht meer waterdamp bevat dan koude
lucht.
De verzadigingskromme loopt onder het vriespunt gewoon door. Hiermee kunnen we
verklaren waarom het in Siberië bijna nooit sneeuwt: bij -30°C bevat lucht te weinig
waterdamp om sneeuw te vormen.
5.4.4 Afkoelen en samenpersen van gassen
We beschouwen een bepaalde hoeveelheid koolstofdioxide in gasfase bij een temperatuur
van 280K en een druk van 2MPa. Deze toestand staat in nevenstaande figuur weergegeven
als toestand A.
Als het CO2 – gas onder constante druk afgekoeld wordt, dan zal het condenseren bij een
temperatuur van 258K (toestand B op onderstaande figuur). Indien het gas wordt
samengeperst (bij een constante temperatuur), dan zal het gas condenseren bij een druk
van 4MPa (toestand C op onderstaande figuur).
Centrum Voor Afstandsonderwijs 53
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
54. 5.5 Koken van vloeistoffen
5.5.1 Invloed van de druk op het kookpunt
Algemeen geldt het volgende:
Hoe lager de omgevingsdruk, hoe lager het kookpunt van een vloeistof. Omgekeerd:
hoe hoger de omgevingsdruk, hoe hoger het kookpunt van een vloeistof.
Op de top van een berg zal water niet bij 100°C koken, maar bij een lagere temperatuur. Hoe
hoger we ons bevinden t.o.v. de zeespiegel, hoe lager de luchtdruk en dus ook hoe
lager het kookpunt van water. Indien we in een diep gelegen grot (bijvoorbeeld: een mijn)
water willen koken, dan dienen we het water te verwarmen tot een temperatuur die groter is
dan 100°C. Hoe lager we ons bevinden t.o.v. de zeespiegel, hoe hoger de luchtdruk en
dus ook hoe hoger het kookpunt van water.
De bovenstaande bespreking geldt voor elke stof en beperkt zich niet enkel tot water.
5.5.2 Kokende vloeistoffen
De druk van de dampkring op zeeniveau bedraagt 101,3kPa en wordt de standaarddruk
genoemd. Bij deze druk kookt water bij een temperatuur van 100°C. De verzadigingsdruk
van water bij 100°C bedraagt 101,3kPa. Dit kan als volgt verklaard worden:
Als een vloeistof kookt, dan vindt er verdamping plaats in het inwendige van de vloeistof.
Hierbij ontstaan zogenaamde dampbellen. Zie hiervoor nevenstaande figuur. Een dampbel
kan pas ontstaan en blijven bestaan als de dampdruk in de dampbel (Pdamp) groter of gelijk is
aan de omgevingsdruk (Pomgeving).
De dampdruk in de bel is gelijk aan de verzadigingsdruk van de vloeistof bij de heersende
temperatuur. Er geldt dus in het algemeen het volgende:
Een vloeistof kookt van zodra de verzadigingsdruk gelijk is aan de omgevingsdruk.
Om een vloeistof te laten koken, dient men ofwel de temperatuur te verhogen ofwel de
omgevingsdruk te verlagen. De vloeistof gaat beginnen koken van zodra de vloeistof de
verzadigingsdruk bereikt heeft.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 54
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
55. Voorbeeld: Neem een bekerglas met een hoeveelheid water met een temperatuur van 50°C.
Beschouw hierbij de standaarddruk van 101,3kPa. Het water in het bekerglas bevindt zich in
toestand A op onderstaande figuur.
A
B
C
Indien we de druk constant houden, dan gaat het water bij toenemende temperatuur op
100°C koken (punt B op de figuur). Indien we de temperatuur constant houden, dan gaat het
water een druk van 12kPa koken (punt C op de figuur).
5.6 Kritieke temperatuur van een stof
5.6.1 Definitie
Uit de voorgaande besprekingen is gebleken dat een gas gecondenseerd kan worden door
afkoeling (verlaging temperatuur) of door samendrukking (verhoging druk). Het
samendrukken van een gas geeft echter niet altijd aanleiding tot condensatie. Elk gas heeft
een temperatuur waarboven het samendrukken van een gas nooit tot condensatie van het
gas zal leiden. Deze temperatuur wordt de kritische temperatuur genoemd en wordt als
volgt gedefinieerd:
De kritische temperatuur van een stof is de temperatuur waarboven deze stof slechts
in de gasfase kan voorkomen. Beneden de kritieke temperatuur kan de stof in de vaste
fase, de vloeibare fase en de gasfase voorkomen. De kritieke temperatuur verschilt
van stof tot stof.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 55
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be
56. CO2 heeft een kritieke temperatuur van 31°C. Beneden deze temperatuur kan het gas
gecondenseerd worden door samendrukking. Het gas kan bijvoorbeeld niet meer
gecondenseerd worden door samendrukking bij een temperatuur van 50°C.
De kritieke temperatuur is afhankelijk van de aantrekkingskrachten tussen de moleculen.
Indien de moleculen elkaar weinig aantrekken, dan is de kritieke temperatuur van de stof
klein. De kritieke temperatuur van de stof is groot indien de moleculen sterke
aantrekkingskrachten op elkaar uitoefenen. Zo heeft water een kritische temperatuur van
374°C, die te wijten is aan de sterke waterstofbruggen tussen de watermoleculen.
5.6.2 Het kritieke punt
De gemiddelde afstand tussen de moleculen in een gas is meestal groter dan de gemiddelde
afstand tussen de moleculen in een vloeistof. Bij de kritieke temperatuur is de gemiddelde
afstand tussen de moleculen in de verzadigde damp gelijk aan de afstand tussen de
moleculen in een vloeistof. Er kan dus geen onderscheid meer gemaakt worden tussen een
damp en een vloeistof.
Beschouwen we dan verzadigingsdruk van een damp in functie van de temperatuur, dan
krijgen we een grafiek zoals hieronder. Het eindpunt van deze kromme wordt het kritieke
punt genoemd. De bijhorende temperatuur is de kritieke temperatuur.
Boven de kritieke temperatuur, of boven het kritieke punt, kan er geen onderscheid
meer gemaakt worden tussen damp en vloeistof.
Centrum Voor Afstandsonderwijs 56
Frankrijklei 127, 2000 Antwerpen
Tel.: 03 292 33 30 – www.centrumvoorafstandsonderwijs.be