Supersnelle faseovergang van - verdampen en condenseren... cavitatie

Het water wordt warmer, de lucht wordt uitgedreven, het water kookt, dampbellen stijgen op in een koude waterkolom. Zie de bellen verdwijnen in het niets.

In een erlenmeijer zit water. De erlenmeijer is afgesloten met een kurk. Door de kurk gaat een buis met daarop aangesloten een doorzichtige slang. Het vrije uiteinde van deze slang komt uit op de bodem van een hoge smalle cilinder gevuld met water. Het water in de erlenmeijer breng je aan de kook. De lucht in de erlenmeijer warmt ook op en zet uit. Hierdoor ontstaan er enkele luchtbellen die opstijgen in de watercilinder.

De buitenkant van de erlenmeijer is koud. Hierdoor condenseert waterdamp in de erlenmeijer tegen de wand waardoor de wand beslaat. er zakken druppels water langs de wand naar beneden. Wat je ziet is condensatie.

Water in Erlenmeijer aan de kook brengen

Naarmate de temperatuur van het water stijgt, begint het water te koken en stroomt er meer lucht uit. door het koken is de ruimte bovenin de erlenmeijer op een gegeven ogenblik verzadigd met waterdamp. De lucht is er dan uitgestroomt. Vanaf dit ogenblik ontstaan er alleen nog bellen die 100% uit water bestaan. Deze dampbellen stijgen op, maar terwijl ze opstijgen, koelen ze af krimpen en verdwijnen. Ze bereiken dus nooit de oppervlakte! Hier zie je condensatie omdat je de bellen ziet krimpen en verdwijnen.

Knetterend geluid: cavitatie

Zodra er alleen nog maar dampbellen ontstaan in de koude kolom, hoor je knappende knetterende geluiden. Op het gehoor kon ik ze niet goed exact lokaliseren. Het geluid doet sterk denken aan `das knatterboot`. Ik vermoed dit het geluid is van imploderende dampbellen. Zodra een dampbel uit de slang in het koude water komt, condenseert de damp en verdwijnt de bubbel. Bij het verdwijnen van de bubbel verplaatst het omringende water zich richting het middelpunt van de dampbel. Die verplaatsting gaat door tot er geen ruimte meer is. Dan komt dit water met een klap tot stilstand. Dit wordt cavitatie genoemd.

Stoppen met verwarmen

Zodra de dampbellen helemaal oplossen in het water en je dit proces hebt laten zien aan de leerlingen, kun je de warmtetoevoer stoppen. Stroom uit, gas uit... TIP: staat je erlenmeijer op een kookplaat, dan is het verstandig hem hier van af te halen, want anders blijft de kookplaat nog lang warmte afgeven en duurt de demonstratie onnodig lang.

Nadat de warmtetoevoer is gestopt, koelt de erlenmeijer vanzelf af. Hierdoor krimpt het volume van de damp in de erlenmeijer en wordt water uit de cilinder in de erlenmeijer gezogen. Aanvankelijk gaat dat langzaam, maar zodra het koude water de erlenmeijer in stroomt, gaat het plotseling heel snel. Door de instroom van koud water koelt de waterdamp nog sneller af, krimpt hij nog sneller en wordt in explosief tempo water de erlenmeijer in gezogen.

Koken bij een temperatuur < 100°C

In de erlenmeijer is de druk heel laag. Het water wordt met kracht de fles in gezogen. Er is sprake van een flinke onderdruk. Een bij een lage druk verdampt een vloeistof makkelijker. En als je goed kijkt, zie je dat onder in de erlenmeijer nog steeds dampbellen ontstaan. Het water onder in de erlenmijer kookt dus nog steeds, terwijl door het instromende koude water de temperatuur in de erlenmeijer al lang niet meer 100°C kan zijn.

Als je een thermometer in de erlenmeijer hebt ingebouwd, kun je de actuele temperatuur op de bodem van de fles uitlezen. Deze is bijvoorbeeld 85 graden. knijp nu de slang dicht zodat er even geen water meer instroomt en je zonder de verstoring van inplosend water kunt zien wat het water in de fles op dat moment doet. En zie: het water kookt bij 85°C! Het koken kun je versterker en beter zichtbaar maken door met ijs de erlenmeijer te koelen boven waterniveau. Je koelt dan de luchtkolom af, waarmee je de onderdruk vergroot en het kookpunt verlaagd. In feite heb je dan een combinatie met de proef van Franklin.

Een lagere druk geeft een lager kookpunt. In het dagelijkse leven zal je dat niet gauw opvallen. De luchtdruk om ons heen is immers redelijk constant. De kooktemperatuur van water is normaal gesproken daarom altijd redelijk precies 100°C.

Terwijl het water de erlenmeijer in stroomt, zie je het waterniveau in de cilinder heel snel dalen. De erlenmeijer bevat geen lucht, maar alleen waterdamp en alle waterdamp zal condenseren waardoor de erlenmeijer (als er geen lekkage is) uiteindelijk helemaal vol stroomt.

Bouwtips:

Zorg dat in de cilinder meer water zit dan er vrije ruimte is in de erlenmeijer zodat de erlenmeijer helemaal kan worden gevuld.

Hoe smaller de watercilinder, hoe duidelijker je kunt zien dat het waterpeil snel veranderd. Hoe hoger de watercilinder, hoe langer de weg die de bubbels moeten afleggen voor ze het wateroppervlakte bereiken.

Plaats een thermometer in de Erlenmeijer op de bodem. Boor desnoods een 2e gat in je kurk. 

Hierboven geef ik u meer informatie dan wat een jonge leerling op kan nemen. Dus doe je leerling een plezier en laat alle overtollige uitleg er uit. Houd het simpel!