Det finns många olika sorters materia på jorden. Runt omkring oss finns till exempel träd, stenar, jord och vatten. Jorden är också hem för djur, växter, svampar och en mängd andra levande organismer. Men om man tittar på en bild av jorden tagen från rymden är det framför allt en färg som syns: blått. Ungefär 70 procent av jordens yta, alltså mer än två tredjedelar, är täckt av vatten. Därför kallas jorden ibland för den blå planeten.

Det är inte konstigt att vatten är så viktigt för allt liv. De första enkla livsformerna uppstod i havet för flera miljarder år sedan. Än i dag är alla levande organismer beroende av vatten. En stor del av människokroppen består av vatten, och vatten behövs bland annat för att transportera ämnen, reglera kroppens temperatur och få cellerna att fungera.

Vattnets unika egenskaper har därför stor betydelse för både hur livet på jorden ser ut och hur våra kroppar fungerar.

Mer om vatten

Tänk nu på vatten. Kanske ser du ett glas med vatten framför dig, kanske en sjö eller havet. Då tänker du på vatten i flytande form. Men vatten kan också finnas i andra former.

Om vi kyler ner vatten tillräckligt mycket stelnar det. Vi säger att vattnet fryser och blir till is. Om vi i stället häller vatten i en kastrull och värmer det på spisen börjar det efter en stund att koka. Då övergår vattnet från flytande form till gasform. Den förändringen kallas förångning, och gasen kallas vattenånga.

Om vi lägger ett lock på kastrullen medan vattnet kokar börjar locket röra på sig. Det beror på att vattenångan tar mycket större plats än det flytande vattnet. När ångan fyller kastrullen trycker den mot locket och försöker ta sig ut.

All materia har massa och tar plats. När vatten förångas tar det större plats, men den totala massan förändras inte. Vattnet har alltså inte försvunnit. Det har bara bytt form. Men vad händer när vatten fryser till is? Tar isen större eller mindre plats än det flytande vattnet?

En ledtråd får du om du tänker på en isbit i ett glas med vatten. Isbiten flyter på ytan. Det visar att is har lägre densitet än flytande vatten. När vatten fryser utvidgar det sig alltså och tar större plats. Det är ovanligt, eftersom de flesta andra ämnen i stället krymper när de stelnar.

En isbit som tas direkt ur frysen håller sin form eftersom partiklarna sitter på bestämda platser. Om du lägger isbiten i en varm kastrull börjar den däremot snabbt att smälta. Det flytande vattnet breder då ut sig över kastrullens botten. När vattnet blir ännu varmare börjar en del av det förångas. Om kastrullen har ett glaslock kan du efter en stund se små vattendroppar på lockets insida. Där har vattenångan kylts ner och blivit flytande vatten igen. Den förändringen kallas kondensation.

När vattnet börjar koka bildas mer vattenånga. Ångan sprider sig och fyller hela kastrullen. Eftersom gasen vill ta ännu större plats kan trycket bli så stort att locket börjar röra på sig.

[Film med kastrull med glaslock som vi stoppar en stor isbit i]

Har du någon gång sträckt dig efter ett mjölkpaket och blivit förvånad över hur lätt det var? Då var paketet kanske nästan tomt. Du är van vid att ett paket med en liter mjölk väger ungefär ett kilogram. Du har därför lärt dig att uppskatta mjölkens densitet.

Ett annat exempel är en snöboll. När du gör en snöboll tar du upp lös snö och formar den till en boll. Till en början är snöbollen ganska stor och mjuk. Om du fortsätter att krama den blir den både hårdare och mindre. Snökristallerna pressas då närmare varandra och snöbollen blir mer kompakt. Massan förändras inte, men volymen minskar. Därför ökar snöbollens densitet.

I de två exemplen ändrades densiteten på olika sätt. Mjölkpaketet var lika stor, men massan hade minskat. Därför hade densiteten minskat. Snöbollen behöll all sin massa, men blev mindre och mindre. Här ökade istället densiteten.

För att räkna ut densiteten behöver vi veta föremålets massa och hur stor volym det har.

Densitet={massa/volym}

Det brukar vi skriva med bokstäver som:

ρ={m/V}

Den grekiska bokstaven ρ, som uttalas ”ro”, används för densitet. Densiteten räknas ut genom att massan (m) delas med volymen (V). Om massan ökar medan volymen är oförändrad, ökar densiteten. Densiteten ökar också om volymen minskar medan massan är densamma, som när du kramar en snöboll.

Ett föremåls densitet beror på hur tätt dess partiklar är packade. Ju tätare partiklarna sitter, desto högre är densiteten. När du pressar ihop snöbollen blir avståndet mellan snökristallerna mindre. Snöbollen innehåller fortfarande lika mycket materia och har samma massa, men den tar mindre plats. Därför har den fått högre densitet.

Olika material har olika densitet. En kula av trä väger till exempel mindre än en lika stor kula av metall. Om du lägger båda kulorna i vatten kommer träkulan vanligtvis att flyta, medan metallkulan sjunker. Det beror på att trä har lägre densitet än vatten, medan metall har högre densitet.

Det är alltså inte bara ett föremåls vikt som avgör om det flyter eller sjunker. Det är föremålets densitet jämfört med vätskans densitet. En liten metallkula sjunker eftersom metall har högre densitet än vatten. En stor och tung stock kan däremot flyta eftersom trä har lägre densitet än vatten.

Vi ska räkna på några exempel med densitet. För att räkna ut ett föremåls densitet delar man dess massa (hur mycket det väger) med volymen (hur stor plats det tar). Enheten för densitet kan till exempel vara kilogram per kubikmeter (kg/m³), eller gram per kubikcentimeter (g/cm³).

Om man har en kub av bly med sidor som är 1 cm är volymen 1x1x1 cm³ (en kubikcentimeter). Om kuben väger 11 g kan vi alltså räkna ut att densiteten för bly är 11/1=11 g/cm³. Densiteten för vatten är ungefär 1 g/cm³. Vi vet att ett ämne flyter om det har lägre densitet än vätskan. Bly har högre densitet än vatten, och alltså sjunker vår kub.

Ta istället en kub av trä med sidor som är 10 cm, och som väger 350 g. Kuben har en volym på 10 × 10 × 10 = 1000 cm³. Träet har då en densitet på 350/1000=0,35 g/cm³. Kuben av trä är alltså större och tyngre än kuben av bly, men eftersom träet har lägre densitet än vatten kommer det att flyta, medan blykuben sjunker.

Vi ska nu se hur man kan räkna ut densiteten för en sten.

Med hjälp av en våg kan vi enkelt mäta att stenen väger 120 g. Men hur tar vi reda på stenens volym? Ett sätt att göra det är att mäta hur mycket vattennivån stiger när man sänker ner stenen i vatten. Om det är en tillräckligt liten sten kan man använda ett mätglas, och läsa av vattennivån innan och efter att man lagt i stenen. I det här fallet ökar vattennivån med cirka 48 milliliter (ml), vilket betyder att stenens volym är 48 ml. 1 ml är 1 cm³, så stenens densitet blir 120 /48 = 2,5 g/cm³.

[2 bilder: 1) Sten på våg (som visar 120 g), 2) Mätglas med vatten, där det går att läsa av vattennivån. 3) Samma mätglas, nu med stenen i. Vattennivån har stigit 48 ml. ]

Vatten är den viktigaste molekylen för livet på Jorden och den har lite annorlunda egenskaper.

Flytande vatten har en densitet på ungefär 1 kilogram per liter (1 kg/l). Det betyder att en liter vatten har massan ungefär ett kilogram. Om man släpper något i vatten flyter det om det har lägre densitet än vatten. Ett föremål med högre densitet sjunker oftast om det släpps i vatten.

Vattnets densitet förändras när temperaturen ändras. När vatten värms upp rör sig molekylerna snabbare och kommer i genomsnitt längre ifrån varandra. Vattnet utvidgar sig då, vilket gör att densiteten minskar. Varmt vatten har därför något lägre densitet än kallt vatten och stiger ofta uppåt. Kallare vatten sjunker i stället. Det kan skapa strömmar i en kastrull, en sjö eller ett hav.

Vatten är som tätast vid 4 °C. Om det kyls ytterligare börjar molekylerna ordna sig så att de tar större plats. Densiteten minskar därför när temperaturen närmar sig 0 °C. När vattnet fryser bildar molekylerna en öppen struktur med större avstånd mellan sig. Is får därför lägre densitet än flytande vatten och flyter på ytan.

Det här är en ovanlig och viktig egenskap hos vatten. När en sjö kyls på vintern sjunker vattnet som är varmare än 4 °C mot botten. Vatten som kyls under 4 °C stannar närmare ytan och kan så småningom frysa. Isen lägger sig då som ett lock ovanpå sjön. Under isen finns fortfarande flytande vatten, vilket gör att fiskar och andra organismer kan överleva vintern.

Materia kan finnas i olika faser. De vanligaste är: fast, flytande och gas. Vid mycket höga temperaturer kan materia också övergå till en fjärde fas som kallas plasma. Vilken fas ett ämne befinner sig i beror framför allt på temperatur och tryck.

I fast form sitter partiklarna på bestämda platser. De kan vibrera, men rör sig inte fritt omkring. Därför har ett fast ämne både en bestämd form och en bestämd volym. Is är vatten i fast form.

I flytande form sitter partiklarna fortfarande ganska nära varandra, men de kan röra sig förbi varandra. En vätska har därför en bestämd volym, men ingen bestämd form. Den anpassar sig efter kärlet som den finns i. Vattnet i ett glas är ett exempel på vatten i flytande form. Om en isbit smälter på bordet flyter vattnet ut och täcker en stor yta.

I gasform befinner sig partiklarna långt ifrån varandra och rör sig fritt åt olika håll. En gas har varken en bestämd form eller en bestämd volym. Den sprider sig och fyller hela det utrymme som finns. Vatten i gasform kallas vattenånga.

När vatten värms upp kan det alltså övergå från fast form till flytande form och sedan vidare till gasform. När is smälter blir den till flytande vatten. När vattnet förångas blir det till vattenånga. Om vattenångan kyls ner kondenserar den och blir flytande vatten igen. Om vattnet kyls ytterligare fryser det till is.

När ett ämne byter fas förändras hur partiklarna rör sig och hur tätt de sitter. Ämnet är däremot fortfarande samma ämne. Is, flytande vatten och vattenånga består alla av vattenmolekyler.

Vattenånga kan användas för att överföra energi. I ett kraftverk värms vatten tills det bildas ånga med högt tryck. Ångan leds mot bladen i en turbin [blåtext: ser ut som en propeller] och får dem att snurra. Turbinen kan sedan driva en generator som producerar elektricitet. En turbin som drivs av en strömmande gas kallas en gasturbin. I en ångturbin är gasen vattenånga.

Vid extremt höga temperaturer kan elektroner slitas loss från atomerna. Då bildas plasma, som består av elektriskt laddade partiklar. Plasma finns bland annat i solen, i blixtar och i vissa lampor. Vatten kan också bilda plasma, men då krävs mycket höga temperaturer.

I solens inre är temperaturen flera miljoner grader. Det är så varmt att elektronerna slits loss från atomerna. Solen består därför till största delen av plasma, alltså en blandning av positivt laddade atomkärnor och fria elektroner. De laddade partiklarna rör sig snabbt och påverkas av solens starka magnetfält. Det är också i solens heta plasma som kärnreaktioner frigör den energi som till slut når jorden som ljus och värme.

Med fysiken försöker vi beskriva världen så noggrant som möjligt. Därför behöver vi kunna mäta olika egenskaper hos föremål och ämnen. När vi undersöker densitet behöver vi mäta både massa och volym.

Massan talar om hur mycket materia ett föremål innehåller. Den mäts vanligtvis med en våg och anges i gram (g) eller kilogram (kg). Volymen talar om hur stor plats föremålet tar och kan till exempel anges i kubikcentimeter, milliliter eller liter.

För att bestämma densiteten hos ett ämne delar vi massan med volymen:

densitet={massa/volym}

Som vi brukar skriva med bokstäver som:

ρ={m/V}

Om ett metallföremål har massan 200 gram och volymen 25 kubikcentimeter blir densiteten 8 gram per kubikcentimeter (g/cm³). Genom att jämföra resultatet med kända densiteter kan vi ibland ta reda på vilket material föremålet består av.

Volymen hos ett regelbundet föremål, till exempel en kloss, kan räknas ut genom att mäta dess längd, bredd och höjd. Ett oregelbundet föremål kan i stället sänkas ner i ett mätglas med vatten. Då stiger vattennivån. Skillnaden mellan vattennivån före och efter visar föremålets volym.

Vi säger ofta att något väger ett visst antal kilogram. Inom fysiken skiljer vi däremot mellan massa och vikt. Massan är mängden materia i ett föremål och är densamma oavsett var föremålet befinner sig. Vikten är den kraft som gravitationen drar i föremålet med. Den mäts i newton.

En astronaut har därför samma massa på månen som på jorden, men mindre vikt eftersom månens gravitationskraft är svagare.

Materia är allt som har massa och tar plats. Vatten är en viktig form av materia och finns över stora delar av jordens yta. Det är också nödvändigt för allt liv. Vatten kan finnas i olika faser. Fast vatten brukar kallas för is, i flytande form är det vatten och i gasform är det vattenånga. När ett ämne byter fas är det fortfarande samma ämne, men partiklarna rör sig och sitter på olika sätt. Vid mycket höga temperaturer kan materia också övergå till plasma.

Densitet beskriver hur mycket massa som finns i en viss volym. Den räknas ut genom att dela massan med volymen:

densitet = massa/volym

Föremål med lägre densitet än vatten flyter vanligtvis, medan föremål med högre densitet sjunker. Vatten har densiteten ungefär 1 kg/l och är som tätast vid 4 °C. Is har lägre densitet än flytande vatten och flyter därför.

För att bestämma densiteten behöver man mäta både massa och volym. Massan mäts i gram (g) eller kilogram (kg), medan volym kan anges i till exempel kubikcentimeter (cm³) eller liter (l).

I fysiken skiljer man mellan massa och vikt. Massan anger hur mycket materia ett föremål innehåller. Vikten är den kraft som gravitationen påverkar föremålet med och mäts i newton (N).