Flydende CO2

Forsøg nr.: 109
Formål: At demonstrere CO2's tre faser.
Resume: Lidt tøris lægges i en lille plastikcylinder, der er lukket i den ene ende. Et stempel presses ned mod tørisen, og idet trykket stiger, smelter tørisen. Når stemplet trækkes ud igen, vil den flydende CO2 begynde at koge.
Nøgleord: Damptryk, faseændring, sublimation, termiske egenskaber, termodynamik, tryk.

Beskrivelse:

For at ændre fasen på et givet stof vil man typisk ændre på temperaturen. Vand skifter for eksempel fase ved 0 grader Celsius (smeltepunkt) og ved 100 grader Celsius (kogepunkt). Man kan dog også skifte fase ved at ændre på trykket. Som eksempel kan man anvende CO2.

Når CO2 fryses ned til under 78,5 grader Celsius, går det fra gasfase til fast fase. Den faste faste kaldes tøris, og efterhånden som tøris varmes op, vil det fordampe eller sublimere; altså gå fra fast form til gas. Flydende CO2 eksisterer ikke ved almindeligt atmosfærisk tryk.

Flydende CO2 kan laves ved at presse tøris i et stempel.

Hvis man i stedet kommer tøris under tryk, vil tørisen smelte og blive til flydende CO2. Dette kan for eksempel gøres i en cylinder med et stempel. I dette tilfælde er cylinderen lavet af et plastikrør, der er lukket i den ene ende med epoxy-lim, mens stemplet består af en metalstang, hvorpå der sidder tre tætningsringe af gummi:

Udstyr til at lave flydende CO2. Beholderen består af et plastikrør, der er lukket i den ene ende med epoxy. Røret kan sættes ned i gummifoden, så det står bedre. Stemplet har tre tætningsringe af gummi siddende nederst. Det simple udstyr er lavet af Wako Takahashi fra Galileo Science Club i Japan.

Tørisen kommes ned i bunden af cylinderen, hvorefter stemplet føres ned. Når stemplet presser på isen, smelter den, og man ser, at der dannes en blanding af flydende og fast CO2. Når stemplet trækkes udad igen, vil CO2en begynde at koge, og man har dermed CO2 i alle tre faser; væske, gas og fast form. Se eventuelt filmen i referencerne.

Når tørisen er smeltet, vil trykket være meget stort inde i cylinderen! Det medfører, at når stemplet føres ud af cylinderen, vil der stå en kraftig, kold jetstråle ud af toppen. Dette kan skade hånden! Brug derfor handsker. En bedre løsning er at sørge for, at cylinderens øverste del er knækket lidt, således at gassen kan sive langsomt ud af cylinderen.

På følgende figur kan man se et såkaldt fasediagram eller tilstandsdiagram for CO2, hvor de tre faser vises som funktion af tryk og temperatur:

Fasediagram for CO2 i fast form, væskeform og gasform.

Vi starter altså på sublimationspunktet, der ligger på 78,5 grader Celsius og 1 atmosfære. Når vi sætter tørisen under tryk, vil vi bevæge os op til tripelpunktet, hvor gas, væske og fast form kan eksistere på samme tid.

Udstyr og materialer:

Tøris
Lukket beholder med stempel

Referencer:

Quick Time film af forsøget (3,50 MB).
Link til forsøg i database hos Journal of Chemical Education.
R. DeGeer: "Change of state demonstration", Am. J. Phys. 47, 287 (1979).
T.C. Lamborn and R. Mentzer: "Liquid Carbon Dioxide and Solid Nitrogen", The Physics Teacher 32, 508 (1994). (http://scitation.aip.org/tpt)

PIRA DCS: 4C20.35 (Termodynamik: Faseovergange)

Opdateret: 13.09.2005

Har du kommentarer, rettelser eller tilføjelser til dette forsøg, så send en til FYSIKBASEN.DK.