Inspiration til skole-forsøg

Blad i flydende nitrogen

Her på Nitro-gen.dk kan der findes inspiration til mange forskellige skole forsøg der kan udføres ved brug af flydende nitrogen. Man kan herunder demonstrere flydende kvælstofs meget lave temperatur. Det sker ved at putte et blad eller en blomst i flydende kvælstof, der er hældt op i en åben beholder. Kvælstoffet ved derved begynde at koge, og når det har kogt (tager få sekunder) kan man tage bladet eller blomsten op og knuse med hænderne. Husk beskyttelses handsker.

Et blad eller en blomst kan dramatisk ændre egenskaber på denne måde, og når de knuses kan man høre at væsken i bladet eller blomsten er frosset til is, da de knuste stykker klirrer som glas når de rammer jorden.

Den mest effektfulde måde at lave forsøget på er ved at bruge et stort blad, da det giver den mest opsigtsvækkende virkning, da man ved brug af dette bedst hører den klirrende, glas-agtige effekt, når det drysses mod et bord eller mod jorden.

Forsøget kan dog også laves med mange andre produkter, f.eks. en banan, en agurk eller en pølse osv.

Blyklokke i flydende kvælstof

Blyklokker giver normalt ikke nogen ringetone fra sig, pga det er et blødt materiale. Hvis man derimod fryser den med flydende kvælstof, så bliver materialet meget stift, og klokken for en meget høj egenfrekvens, og giver nu en høj og klar ringetone.

Forsøget viser derfor hvor kraftigt stoffer kan ændre egenskaber når temperaturen ændres. Bly er giftigt, så husk igen beskyttelses handsker ved berøringen af blyet og vask fingrene grundigt hvis du kommer til at røre blyet uden handsker.

Flødeis med flydende kvælstof

Ved brug af flydende nitrogen kan man lave en meget let og cremet is. Det sker ved at man kan piske mange små luftbobler ind i isen og på den måde undgår dannelsen af større iskrystaller, der ville dannes ved brug af en almindelig fryser. Hvis man køler isen ned ved at hælde flydende nitrogen over den, vil det være muligt at røre rundt og ødelægge disse krystaller, samtidigt med at kogningen vil blande en masse luftbobler ind i isen. Nedkølingen af isen vil desuden ske på få minutter.

Når der fremstilles is ved hjælp af flydende nitrogen, er det vigtigt at man bruger en skål af metal eller blødt plastik, da en glas skål kan gå i stykker når den udsættes for flydende nitrogen. Plastik kan også gå i stykker, men det er usandsynligt hvis man sørger for kun at hælde lidt flydende nitrogen i ad gangen. Metalskålen kan blive meget kold til gengæld, så derfor skal man huske beskyttelses handskerne.

Is-basen som isen laves ud fra kan være en hvilken som helst opskrift fra en kogebog. Server ikke isen før der ikke længere dannes hvid tåge i skålen, først da er kvælstoffet helt fordampet.

Fremstilling af flydende ilt

Flydende nitrogen hældes i en beholder med tynde metalvægge til den er fyldt. Det flydende nitrogen vil hurtigt køle beholderen ned til -196 grader hvilket er kvælstofs kogepunkt. Derefter vil ilt fra luften omkring beholderen begynde at kondensere på ydersiden, og flydende ilt vil derefter begynde at dryppe ned i et bægerglas under beholderen. Ilt kondenserer ved -183 grader.

Bægeret skal stå på en isolerende plade f.eks. lavet af flamingo, da det er nødvendigt for at kunne opsamle den flydende ilt. Hvis bægerglasset samtidigt er kølet ned, bliver processen endnu nemmere, da ilten på den måde ikke fordamper med det samme. En anden mulighed er at man evt. kan placere bægeret i en skål med lidt flydende nitrogen, sådan at det afkøler bægeret.

Flydende ilt ligner flydende kvælstof, bortset fra at det er mere blåligt i farven. Husk beskyttelses udstyr da flydende ilt “brænder” øjeblikkeligt på huden. For at bevise at det er flydende ilt der er fremstillet, kan man bruge en magnet, da ilt dråber tiltrækkes af magneter.

Kanon med flydende kvælstof (eller kogende vand)

Formålet med dette forsøg er at demonstrere hvor kraftigt flydende nitrogen udvider sig, når det fordamper. Hæld noget flydende nitrogen i en konisk kolbe, som lukkes hårdt med en gummiprop. Det flydende nitrogen vil skabe et tryk inde i kolben, og efter kort tid vil proppen skydes af med stor fart. Man kan også bruge en 50 cl sodavandsflaske, med brug en gummiprop, da et skruelog vil skabe en voldsom eksplosion.

Kogende kvælstof

Dette forsøg har til formål at vise sammenhængen mellem kogepunkt og temperatur. Kogepunktet for et stof er bestemt af væskens damptryk og omgivelsernes tryk. De fleste mennesker forbinder et kogepunkt med noget meget varmt, men dette gælder ikke alle stoffer. Nitrogen har et kogepunkt på -196 grader Celsius. Dette kan man se hvis man hælder flydende nitrogen op i et plastikglas. Sætter man kortvarigt hånden ned under glasset, så koger kvælstoffet på samme måde som vand, selvom det er meget koldt. Pas på ikke at holde hånden under glasset ret længe, da det vil føre til forfrysninger.

Derfor kan man istedet bruge en træpind eller et stykke metal som en “dyppekoger”. På den måde kan man få kvælstoffet til at koge kraftigt ved at dyppe et varmere materiale ned i kvælstoffet.

Leidenfrost Effekt med flydende kvælstof

Når en væske rører ved noget meget varmt, så vil det straks begynde at koge og fordampe. Hvis fordampningen er hurtig nok, vil dette danne en hinde af gas mellem væsken og den varme flade. Denne “luftpude” gør at væsken ikke længere er i fysisk kontakt med den varme flade, og dermed overlever dråben i lang tid og friktionen mellem dråben og overfladen nedsættes, og derved “danser” dråben rundt, kun bremset af luftmodstanden.

Denne effekt kan skabes blot ved at hælde flydende nitrogen på en bordplade. Kvælstofs kogepunkt er -196 grader Celcius, og derfor vil en almindelig bordplade ved stuetemperatur føles som en kogeplade for kvælstoffet. På grund af Leidenfrost Effekten kan man skubbe til kvælstofdråberne med fingeren uden at få forfrysninger.

Dråberne vil forsvinde hurtigt, og derfor kan man placere en rulle tape eller lignende på bordet først. Derefter kan man hælde kvælstoffet op i midten af rullen, og når rullen fjernes bevæger dråberne sig mere stille og roligt rundt i stedet for at forsvinde hurtigt.

Flydende kvælstof i en ballon

Med dette forsøg kan man demonstrere hvor kraftigt flydende nitrogen udvider sig når det fordamper. Der hældes lidt kvælstof i en kolbe eller et reagensglas, og der sættes en ballon ned over åbningen. Det kogende nitrogen vil langsomt fordampe, og derved fylder det meget mere en på væskeform, og på den måde vil ballon langsomt blive pustet op. Hvis man bruger nok flydende nitrogen, vil ballonen også sprænge til sidst.

Hvis man vil gøre forsøget endnu mere imponerende, kan man efter et par sekunder vende kolben på hovedet, så kvælstoffet flyder ned i ballonen. Ballon kan derefter tages af kolben og hvis man holder ballonen lukket med fingrene og ryster den, så øges fordampningshastigheden, og ballonen vil hurtigt sprænge. Braget vil være ekstra stort, da ballonens gummi vil fryse til.

Kvælstof på fast form

Dette forsøg viser faseovergangen fra flydende til fast form på kvælstof. En lille smule flydende nitrogen hældes ned i bunden af en rundkolbe. En gummi prop med hul i sættes i, og en vacuumpumpe forbindes til kolben.

Trykket falder over kvælstoffet når pumpen tændes, og da kogepunktet er afhængigt af omgivelsernes tryk, så begynder kvælstoffet at koge ganske kraftigt.

Her vil det være de varmeste molekyler der fordamper, så dermed falder temperaturen for den tilbageværende væske (evaporativ køling). Når temperaturen kommer under -210 grader Celsius, så fryser kvælstoffet til fast form. Det er overraskende at et stof der normalt kendes som gas, kan fryse først til flydende og derefter til fast form. Husk beskyttelseshandsker, da kolben bliver meget kold.

Meissner Effekten for en superleder

Dette forsøg demonstrerer Meissner Effekten, ved at få en magnet til at svæve over en superleder. En superleder er kendetegnet ved at den leder elektrisk strøm helt uden tab. Derudover er Meissner Effekten den mest fremviste egenskab i undervisning om superledere.

Maxwells ligninger viser, at et magnetfeltet inde i superlederen ville være konstant hvis ledningsevnen var 0. Det betyder at hvis man flytter den perfekte leder fra et magnetfelt og ind i et område uden magnetfelt, så vil inducerende strømme i lederens overflade sikre, at magnetfeltet stadig befandt sig inde i lederen.

Sådan forholder det sig ikke for en superleder, da Meissner Effekten gør at magnetfeltet ikke bare er konstant, men er konstant lig 0. Derved vil et hvert magnetfelt blive stødt ud af superlederen.

Det betyder i praksis, at en magnet kan svæve over superlederen. Når magneten nærmer sig superlederen, induceres der strømme i overfladen af superlederen, hvorved magnetfeltet “spejles”. To ens poler frastødes og derved vil magneten kunne svæve.

Man kan også lægge magneten oven på en varm superleder, og hvis den køles med flydende nitrogen, bliver den superledende, og så vil magneten kunne løftes op over superlederen.

Magneten falder ikke ned på superlederen, fordi den er låst fast af fænomenet “flux pinning”.

Skydanelse med flydende nitrogen

Når flydende kvælstof hældes op i en skål, bemærker man, at der kommer vid damp op fra skålen. Umiddelbart vil man gætte på at det er kvælstoffet der fordamper, men kvælstof er gennemsigtigt på gasform, da det trosalt er hovedbestanddelen af luft.

Tågen består derimod af luftens vanddamp, som fortættes til små dråber, når vandet kommer tæt på det meget kolde flydende nitrogen. Det er det samme som man kender det fra skyer på himlen.

Prøver man at puste ned i kvælstoffet, så står der en tyk, hvid tågesky op ad skålen. Dette skyldes, at vores varme udåndingsluft indeholder meget vanddamp og der fortættes til skyer.

Forsøget bliver klart bedst, hvis man hælder flydende kvælstof direkte ned i en kogekedel eller gryde med kogende vand. Der kommer herved massive mængder tæt, kridvid tåge op, som imponerer publikum. Det er yderst vigtigt at man hælder det flydende nitrogen langsomt ned i det kogende vand. Hvis der kommer for meget kvælstof pludseligt, så kan dette komme ned under vandoverfladen og forårsage stødkogning, hvilket sprøjter varmt vand op i luften. Prøv derfor forsøget mange gange i god afstand fra publikum, før du lader dem komme tæt på.