FYSIKbasen.dk - Den danske database for pædagogiske undervisningsforsøg til fysiklærere
Forside Nyheder Forsøg Om siden Kontakt English
Gå en side tilbageUdskriv dette forsøgForetag ny søgning

rød pilBallon i flydende kvælstof

Forsøg nr.: 18
Formål: At demonstrere at gas trækker sig sammen ved afkøling.
Resume: En ballon, der nedsænkes i flydende kvælstof, vil trække sig fuldstændigt sammen.
Nøgleord: Damptryk, faseændring, flydende kvælstof, tryk.

Beskrivelse:

En ballon pustes helt op, og en knude bindes på den. Flydende kvælstof hældes op i en stor åben beholder. Ballonen holdes nu nede i det flydende kvælstof.

Diagram over forsøg.
Diagram over forsøg.

Når ballonen er nedsænket i kvælstof vil luften inde i ballonen hurtigt afkøles og delvist kondensere til flydende form. Da kold og flydende luft fylder meget mindre end varm og gasformig luft, vil ballonen trække sig fuldstændigt sammen.

Billede af ballon i flydende kvælstof
Billede af ballon, der lige har været i flydende kvælstof.

Det er vigtigt at understrege, at luften stadig er inde i ballonen - den har blot trukket sig meget sammen. Når ballonen tages op igen, så vil luften inde i ballonen begynde at koge og fordampe, hvorved ballonen udvider sig igen.

Billede af ballon, der lige har været i flydende kvælstof
Forsøget er overraskende og fascinerende.

Til sidst vil ballonen være pustet helt op igen. Bemærk at hvis man bruger en ballon kun med kvælstof, så vil ballonen ikke trække sig helt sammen. Den vil kun afkøles til lige over kogepunktet, hvor gassen fylder knap en fjerdedel af hvad den gjorde ved stuetemperatur. Kvælstoffets fordampningsvarme forhindrer det i at fortætte. Når man bruger almindelig luft i ballonen, så vil luftens ilt kondensere, mens kvælstoffet stadig vil være på flydende form.

Billede af ballon, der har været i flydende kvælstof
For at varme ballonen op uden at den sprænger, kan det hjælpe at puste jævnt over hele overfladen.

Prøv også forsøget med en ballon med for eksempel helium. Denne gas har et lavere kogepunkt end kvælstof, og dermed kan afkølingen af ballonen ikke få indholdet til at kondensere. Resultatet er, at ballonen ikke kan trække sig helt sammen. Dog vil heliumet trække sig så meget sammen, at ballonen ikke længere svæver opad. Når ballonen varmes op igen, så begynder ballonen at stige til vejrs.

Nedkøling af en ballon fyldt med CO2 vil resultere i, at ballonen fyldes med tøris.

Faresymbol Når ballonen kommer op fra kvælstoffet, så vil luften indeni være delvist kondenseret. Ballonen indeholder altså flydende ilt, hvilket kan give forfrysninger.

Spørgsmål og svar:

Hvorfor sprænger ballonen?

Da ballongummiet også køles ned i det flydende kvælstof, så bliver dette hårdt og mister sin elasticitet. Løsningen er at puste på ballonen, der hvor den er frosset, samtig med at man drejer ballonen langsomt rundt, så den flydende luft inde i ballonen ikke fryser et nyt stykke til.

Hvor meget udvider kvælstof sig, når det går fra væskeform til gasform?

Ved kvælstofs kogepunkt (-195,8 grader C) er massefylden af flydende kvælstof 804 kg pr. kubikmeter. For gassen ved samme temperatur er massefylden 4,6 kg pr. kubikmeter. Kvælstof udvider sig altså ca. 175 gange, når det går fra væske til gasform. Hvis man varmer gassen op til 0 grader Celsius, så udvider gassen sig yderligere ca. 3,7 gange. Den samlede udvidelse fra flydende form til gasform ved 0 grader er derfor ca. 645 gange.

Hvordan håndterer man flydende kvælstof?

Flydende kvælstof kan man faktisk røre ved i ganske kort tid. Dette skyldes Leidenfrost Effekten. Som opbevaring bør man bruge en professionel termobeholder (dewar). Bruger man en almindelig termoflaske, må låget aldrig nogensinde skrues hårdt på. Flasken kan eksplodere. Under forsøg kan man med fordel bruge to plastikølglas stablet inden i hinanden. Dette skaber et lille luftlag, som isolerer og beskytter den, der holder glasset. Dermed kan man let håndtere kvælstoffet og hælde det op til forsøg. Tryk på "Flydende kvælstof" i udstyrslisten for at finde forhandlere.

Udstyr og materialer:

grøn pil Flydende kvælstof
grøn pil Balloner

Referencer:

grøn pilLink til forsøg med heliumballon i database på University of Maryland.

PIRA DCS: 4E10.20 (Termodynamik: Idealgasloven) Hvad er PIRA DCS?

Opdateret: 08.09.2005