När energin i luften sjunker

Temperatur är ett mått på medelvärdet av kinetisk (rörelse-) energi i t.ex en droppe vatten eller din kropp.

Låt oss anta en liten vattendroppe bland många i atmosfären. Den har svävat omkring ett tag utan att vare sig krympa eller växa i storlek, den är i termisk balans med omgivningen.

Molekylerna i droppen attraheras av varandras asymmetrier i laddningsfördelningen. De kallas vätebindningar [1] och är var för sig rätt små men många. [2] Vattendroppen är tillräckligt liten för att dras samman till klotform av ytspänningen. [3] https://urminsynvinkel.wordpress.com/2019/07/05/vatten-ett-amne-med-karaktar/

Om temperaturen (enskilda molekylers kinetiska energi) stiger vibrerar de kraftigare och kan nå en hastighet då de övervinner kraften från vätebindningarna och sliter sig loss. Om inget kommer ivägen så kan den lämna droppen för gott. Råkar det vara innerväggen på en gryta så är det naturligtvis ett hinder. Där andra vattenmolekyler gör liknande språng är det av naturliga skäl rätt trångt just vid ytan och sannolikheten är stor att bli knuffad tillbaka. Men en knuff kan innebära att någon av molekylerna får ett energitillskott och kanske hamnar ännu lite längre ut. Även i och omkring en hypotetisk droppe i termisk balans med omgivningen sker detta men ‘hopp ut’ och ‘fall tillbaka’ balanserar.

I huvudsak händer detsamma för is (t.ex. en iskub i frysen). En stor skillnad är att molekylerna i en iskristall är bundna med 4 (fyra) vätebindningar. Det krävs att en enskild [4] vattenmolekyl har rejäl rörelseenergi för att bryta sig loss direkt till vattengas/ånga.

När atmosfären med innehåll blir varmare kan den ta till sig mer vatten utan att det syns för blotta ögat. Om det blåser ökar den sammanlagda kinetiska energin (vind + värmerörelser) [5] i en given volym av atmosfären.

Under speciella förhållanden (luftfuktighet, temperatur och vind) kan fenomen som på bilden nedan uppstå. När den ‘nästanmättade’ luften passerar en vindturbin utvinner den kinetisk energi ur luften + vattenånga och temperaturen sjunker på läsidan. Då hastigheten hos enskilda vattenmolekyler i ångform är mångfalt den hos vinden är det de som ‘offrar sig’ och minskar mest i rörelseenergi. Det innebär att de fastnar på kondensationskärnor och varandra och bildar droppar och moln.

Du kan ha landat med flygplan på en plats med närapå mättad luftfuktighet, då ser man hur vattenånga kondenserar bakom vingarna. Sak samma vid flyguppvisningar där man gör häftiga riktningsförändringar, t.ex den ursprungligen svenska kobran [6]

[1] Vätebindningar håller samman proteiners aminosyrakedjor till en väldefinierad struktur. När matens proteiner hamnar i magsyran faller vätebindningar isär, de denatureras. Det sker även vid uppvärmning vid matlagning vilket underlättar snabbare matsmältning. Steker du t.ex. bacon så upptäcker du att de proteinrika delarna gärna fastnar i varandra och stekpannan. Det är tecken på att vätebindningar fortfarande är aktiva, bara inte organiserade.

[2] 18 gram vatten (1 mol) innehåller 6.02 x 10²³ vattenmolekyler med i medeltal 3.4 bindningar. Ungefär 2 000 000 000 000 000 000 000 000!

[3] Inuti vattendroppen arbetar vätebindningarna som vanligt, i alla riktningar. På ytan blir förhållandena annorlunda, där drar vätebindningarna inåt eller i sidled och skapar ytspänning, tillräcklig för att ge droppen klotform.

[4] Uppmätt temperatur är ett mått på genomsnittliga rörelser för flera molekyler. De statistiska lagarna tillåter ‘ytterkantsvärden’ som helt stilla och ‘flykthastighet’ samtidigt för näraliggande molekyler. Lämna en iskub i frysen några veckor och se hur den krymper.

[5] Känner du för att fördjupa dig i molekylers hastigheter beroende på temperatur kan länken nedan vara intressant. Man exemplifierar med kvävgas (N₂ med molekylvikten 28) där vatten har molekylvikten 18. Kvävgasmolekyler vid normalt lufttryck och 20°C har en genomsnittlig hastighet av 511 m/s! https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/Book%3A_University_Physics_(OpenStax)/Map%3A_University_Physics_II_-_Thermodynamics%2C_Electricity%2C_and_Magnetism_(OpenStax)/02%3A_The_Kinetic_Theory_of_Gases/2.03%3A_Pressure%2C_Temperature%2C_and_RMS_Speed

[6] Draken (J 35) gör en ‘Swedish Cobra Maneuver‘ som senare blivit nästan synonymt med ryska flygplan. https://youtu.be/jqiDEcfSnXs och SU27 https://youtu.be/hNKh0gmR93k