5 redenen waarom kou cool is!

1. Op lage temperatuur staan deeltjes bijna stil!

Onze wereld is opgebouwd uit moleculen. Of het nu een gas, een vloeistof of een vaste stof is, moleculen zijn altijd een beetje in beweging. Bij een gas en een vloeistof kunnen we ons daar wel wat bij voorstellen. Denk aan de atomen alsof het stuiterende balletjes zijn. De snelheid van de balletjes is gerelateerd aan de energie van de balletjes. Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de energie is, en dus hoe sneller de deeltjes bewegen. Maar zelfs bij materialen waar je het je minder goed kan voorstellen, staan de atomen nooit stil. Bij een vaste stof, zoals ijs of een metaal, zitten atomen in een geordend kristalrooster. Dat klinkt alsof de deeltjes zo vast zitten dat ze nergens naartoe kunnen! Maar het rooster bestaat niet uit vaste bindingen, je kunt je ze beter voorstellen als elastische veren die ingedrukt en uitgerekt kunnen worden. Daardoor is er wat bewegingsvrijheid in het kristalrooster en trillen de atomen dus.

En nu komt het mooie aan de natuur: hoe hard de atomen trillen is afhankelijk van de temperatuur. Dus hoe hoger de temperatuur, hoe harder de atomen trillen en hoe lager de temperatuur hoe minder hevig de trillingen worden. Dit betekent dat wanneer je richting het absolute nulpunt gaat, de grootte van de trilling van de atomen ook richting nul gaat! Als de temperatuur dus laag genoeg is, staan de atomen praktisch stil!

2. Op lage temperatuur krijgen materialen een hele andere fase dan op kamertemperatuur

Faseovergangen hebben veel te maken met de geordendheid van de atomen zoals we hierboven zagen. In een gas zijn de atomen eigenlijk niet met elkaar verbonden. Ze stuiteren heen en weer in de ruimte en botsen tegen elkaar op. Bij een vloeistof gaan de atomen verbindingen met elkaar aan, maar het zijn wel enigszins losse bindingen. Hierdoor blijft een vloeistof wel bij elkaar, maar is er ook beweging mogelijk. In een vaste stof nemen de atomen een geordend rooster aan, en zijn dus sterk van elkaar afhankelijk. Overgangen tussen deze verschillende fases gebeuren op specifieke temperaturen.

Op deze temperaturen is het voor de atomen gunstiger om zich op een andere manier te gedragen, omdat dat voor het materiaal als systeem minder energie kost. Hier zit dus een zekere balans in. Voor sommige stoffen kennen we deze faseovergangen heel goed, zoals bij water: bij temperaturen lager dan 0 graden wordt het ijs: een vaste stof. Bij temperaturen hoger dan 100 graden wordt het waterdamp: een gas. Daartussen is het een vloeistof. Voor andere materialen is het moeilijker voor te stellen dat ze een andere fase aannemen. Heb jij bijvoorbeeld wel eens bevroren CO2 gezien? Of vloeibaar ijzer? Koolstofdioxide bevriest bij -78°C en ziet er zo uit:

3. Het proces om op die lage temperatuur te komen is indrukwekkend!

Om bijna het absolute nulpunt te bereiken, zijn er verschillende elementen nodig. Als eerste element wordt vloeibaar Helium gebruikt, dat heeft een temperatuur van 4.2 K, oftewel – 269°C. Met behulp van een pomp (een soort stofzuiger) kun je de druk van deze vloeistof verlagen, waardoor de temperatuur ook lager wordt. Dit ken je misschien wel van de algemene gaswet: PV = nRT. Hierdoor kun je op z’n laagst naar ongeveer 1 K afkoelen, dus 1 graad boven het absolute nulpunt. Het is mogelijk om nog verder af te koelen! Wil je weten hoe dat werkt? Laat het hieronder weten!

4. Het effect supergeleiding kan op lage temperatuur bestaan

Geleiding vindt plaats in bijvoorbeeld metalen, waarbij elektronen lading dragen en er daardoor een stroom kan lopen. Een normaal metaal heeft altijd een kleine weerstand, wat betekent dat bijvoorbeeld warmte gegenereerd wordt als er een grote stroom door het materiaal heen loopt. Maar er bestaan ook materialen die “supergeleidend” kunnen worden. Supergeleidende materialen hebben geen weerstand! Dat is natuurlijk superhandig als we stroom willen aanleggen zonder dat er warmte gegenereerd wordt. Waarom sommige materialen supergeleidend zijn en andere niet, is een heel ander verhaal. Wil je daar meer over te weten komen? Laat het hieronder weten!

5. Van vloeibaar stikstof kun je ijs maken!

Eerder hadden we het al over materialen die in een andere fase belanden als ze op lage temperatuur zijn. Eén van die materialen is stikstof. De lucht om ons heen bestaat voor bijna 80% uit stikstof, en dat is dus gewoon een gas. Als we naar lage temperatuur gaan, heel lage temperaturen zoals -200°C, dan wordt stikstof vloeibaar. In het lab gebruiken we vloeibaar stikstof om metingen te doen op deze temperatuur. Vloeibaar stikstof zit bij ons in een vat en als we een chip willen meten, stoppen we die chip in het vat. De chip neemt vanzelf de temperatuur aan van zijn omgeving, dus -200°C.

Het komt ook wel eens voor dat we op vrijdagmiddag klaar zijn met de metingen en geen vloeibaar stikstof meer nodig hebben… En dan maken we er ijs van: kijk maar naar deze video!

Hopelijk ben jij nu ook overtuigd dat lage temperatuur heel cool is! Waar wil jij meer over weten? Laat het hieronder achter!