sciencetalk

Op internet zijn dozijnen filmpjes te vinden over water dat aan de kook wordt gebracht in een vacuümvat.
Het water in die filmjes spat woest borrelend het hele vat nat. "Kijk! Het kookt bij 20 graden!"
Zie bijvoorbeeld: hier, hier, hier en hier. Maar klopt dat commentaar wel?

Natuurlijk, water kookt als de druk van de omhullende atmosfeer lager ligt dan de dampdruk van het water. Maar als je even doordenkt, dan komen er toch wel vragen:

- Waarom komen die bellen voornamelijk van de bodem? Daar is toch helemaal geen oorzaak voor? Want bij iedere cm diepte komt er een millibar druk bij. Dat water zou juist aan het oppervlak moeten koken.
- Waarom komt bijna niemand op het idee én de temperatuur én de druk tegelijkertijd te meten om te zien of het wel klopt wat ze beweren?
- Hoeveel zuurstof bevat kraanwater eigenlijk, en hoe groot zouden die bellen kunnen zijn bij uitgassen onder zeg eens 10 millibar?

Als je dit wat beter onderzoekt en zelf wat test, dan blijken ze het bijna allemaal fout te hebben. Dan blijkt dat dat "koken" in werkelijkheid ontgassen is. Als ik het heel ruwweg even bereken, dan zou vers kraanwater per liter ook ongeveer een liter zuurstofgas bij 10 millibar kunnen bevatten. Dat zijn behoorlijke bellen, en die komen van overal uit het water.

Maar ná het ontgassen, wordt het vrij stil in het vat. En als je dan het experimentje met dat "dode" water herhaalt blijft het stil:


Rond 45" loopt de druk door het ontgassen weer wat op tot ruim 37 millibar. Dan is het 'koken' al behoorlijk heftig, maar bij de gegeven watertemperatuur van 22,3 graden is de dampdruk volgens Arden-Buck zo'n 27 millibar. Dit kan nooit koken zijn. Later, rond 58" is de druk in het vat zo'n 18 millibar en de temperatuur van het water is 22 graden en begint nu sneller te dalen. Dat zou dus wel degelijk koken kunnen zijn, maar het borrelen komt vanaf de bodem en houdt al vrij snel hierna op. Wel zien we nog steeds de temperatuur van het water dalen. Het kookt kennelijk wel, maar daarvoor zijn dus geen bellen nodig.


Hier hetzelfde proefje, maar nu met het water van de vorige proef, dus vrijwel geheel ontgast. Alleen aan de vermindering van het waterniveau in het buisje en de almaar verder teruglopende watertemperatuur, is te zien dat het water kookt. Door het verlies van de meer energieke moleculen (die vinden door hun snelheid het eerst het gaatje naar de vacuümpomp) is aan het einde de temperatuur van het water gedaald tot 15 graden, maar als ik nog een kwartier laat pompen, kom ik onder de 10 graden uit:

Helaas is mijn vacuümpompje nogal zwak (70 watt schottenpompje dat maximaal 15 liter lucht per minuut verplaatst bij 1 bar). Ik denk namelijk dat bij een zwaardere vacuümpomp wel 'echte' kookbellen zichtbaar kunnen worden, maar die zullen dan vooral bij het oppervlak zitten. Dit pompje trekt bij 5 millibar zó weinig weg, dat het water wel kookt, maar heel rustig en zonder bellen te trekken. Van vacuüm zuigen tot onder het vriespunt is met zo'n licht pompje geen sprake, tenzij ik het in een heel klein goed geïsoleerd vat probeer (ga ik toch eens zien te doen).

Ook blijft er voor mij nog wel wat te piekeren over:
Ik zou denken dat in zo'n bijna vacuüm in een vat met water de druk in het vat overeenkomt met de dampdruk van water bij de gegeven temperatuur. Maar dat blijkt niet het geval na 24 uur het vat met het waterbuisje met rust gelaten te hebben:
Het water is weer opgewarmd tot 22,3 graden, maar de druk in het vat blijft een bescheiden 5,3 millibar.
Bij 5,3 mbar zou ik een water(damp)temperatuur van -2 C verwachten en bij 22,3 graden een druk van 27 mbar (zie grafiek). Hoe zit dat?

Mooi experiment, wellicht rekening ermee houden dat vacuum voorpompen meestal slecht zijn in het wegpompen van waterdamp. In de industrie word er vaak een gasballast aangebracht om (water)damp mee te voeren en condensatie te voorkomen.

De water dampdruk zal naar mijn inzicht toenemen gedurende het koken/verdampen. Het word immer slecht/nauwelijks afgepompt. De resterende druk is meestal 100% water dampdruk bij gebruik van enkel een voorpomp.

Mogelijk veroorzaakt de toenemende dampdruk extra effecten. Dan kan ik mij voorstellen dat er aan het oppervlakte minder verdampt.

Bij naslag van mijn vacuum techniek (Nevac, Suurmeiijer-Mulder-Verhoeven) boek droge-schottenpomp zonder gas ballast. Ik weet niet zeker of er droge pompen zijn met gas-ballast aansluiting.

EDIT:
Misschien proberen een koelvalletje te maken met slang bij (opvang bakje) om de afpomp leiding? Met droog-ijs of ijsblokjes?

Ik gebruik de Heraeus Leybold Minni A, een schottenpomp in oliebad. Deze is speciaal voor 'natte' lucht bedoeld en heeft een gasballast.

Dit pompje zou (afhankelijk van slijtage en kwaliteit olie en temperatuur) tot ongeveer 1 millibar (100 Pa) gaan. Ik bereikte tot op heden met gewone olie 2 millibar.

Maar droge of natte pomp, hoe zit het met de gemeten druk en temperatuur na 24 uur rust? Klopt dat wel? Maak ik een denkfout? Is mijn digitale barometer ziek?

Slechts enige mogelijkheden. Ter info hieronder nog enkele pagina's uit het hoofdstuk gasballast, met als slotzin:

Nevac, Suurmeiijer-Mulder-Verhoeven schreef:Concluderen we dat het niet verstandig is om een vacuumruimte leeg te pompen met een koude pomp; zelfs niet met een volledig geopend gasballastventiel!

Maar hier is de natte draaischuifpomp genoemd. Bijna hetzelfde als een enkele natte schottenpomp? Weet het niet zeker. Het is 10 jaar geleden sinds mijn middelbaar vacuümtechniek examen, moeilijk als men er niet dagelijks mee bezig is! Maar de details zijn allemaal kritisch en belangrijk. Moet zelf ook dieper studeren over dit onderwerp als mij dat qua kennis al lukt!

EDIT:
Merk op dat verruilingen in water naar bodem zakken door zwaartekracht! Bron: Nevac, Suurmeiijer-Mulder-Verhoeven

Mooi werk inderdaad! Voor het koken van water heb je twee ingrediënten nodig: een druk die laag genoeg is voor z'n temperatuur én nuclei waarop een gasbel kan ontstaan. Het ontgassen gebeurt dan ook vaak op het glas omdat daar ook vaak kleine gasbelletjes op ontstaan (net zoals bij een glas fris).

Zonder nuclei kan je zelfs negatieve absolute druk (dus trekspanning(!)) in water laten ontstaan tot wel -140MPa(!!) in ideale condities [edit]-30MPa blijkbaar, in het paper twijfelen ze aan de claim van -140MPa, maar nog steeds indrukwekkend [/edit]. Dus als jouw water 'dood' is kunnen er niet makkelijk bellen ontstaan. Een oplossing hiervoor is door het te 'seeden' met iets van heel fijn zand oid. Een andere oplossing is twee stripjes metaal toe te voegen met een spanning erover waardoor je electrolyse krijgt. Hierdoor ontstaan hele kleine gasbelletjes. Uiteraard niet overdrijven, het blijft knalgas .

De video van Cody's lab meet wel druk en temperatuur tegelijkertijd, hoewel niet zo precies... Maar hij beweert wel dat er eerst ontgassing is idd (wat volgens mij idd ook klopt). Hij gebruikt ook eerst calciet en later wat houtskool als nuclei. Het gaat hem overigens om het bevriezen van water, niet zozeer het koken.

Dank voor de reacties.

Ik denk dat er in het water van de tweede proef geen gasbellen meer ontstaan, omdat er geen opgelost gas meer in het water zit. Het water en het buisje bleken in het eerste proefje voldoende seeds te hebben voor nucleatie, en daar is niets aan veranderd. Gedurende het eerste proefje zie je al dat het borrelen naarmate de outgassing vordert afneemt tot vrijwel niets.

Jammer dat in de video van Cody's lab de druk niet wordt gegeven bij het punt waarop hij roept dat het water kookt. Kort daarvoor was het 0,1 bar en dat is veel te hoog. Bij hem zie je ook dat de bellen onderin ontstaan, en dat is geen koken, maar ontgassen.

En ik zit nog steeds met mijn constatering van een (mogelijk) niet met elkaar matchende druk en temperatuur na 24 uur.

Ik denk dat het toch koken is, bij ontgassen verwacht ik niet dat de temperatuur zo sterkt daalt.

Dit zijn de bevindingen in kort bestek:

1: Stel, bellen zijn een bewijs van koken, dan is er geen enkele reden voor het wegblijven van de bellen in de tweede proef.
2: Stel, bellen ontstaan door ontgassen, dan zijn daar de resultaten van de tweede proef mee in overeenstemming.
3: Gedurende beide proeven kookt het water wel degelijk, maar verdampt alleen aan het oppervlak van de vloeistof.
4: Dieper in het water is de druk hoger en het water is bij die hydrostatische druk te koud voor koken.
5: Beide fenomenen, dat zien we bij mijn filmpjes en bij dat van anderen, treden op een bepaald moment simultaan op; bellen ontstaan door ontgassen en temperatuurverlaging a.g.v. snelle verdamping, a.k.a koken.
6: Als je goed oplet zie je dat de temperatuurdaling versnelt (het water kookt sterker), terwijl de belvorming afneemt (outgassing neemt af). Tussen 10 en 7 millibar neemt de temperatuur van het water het snelst af en kookt dus het sterkst. Maar bij deze druk zijn er ook in het eerste filmpje bijna geen belletjes meer zichtbaar.

Michel Uphoff schreef: ↑ma 25 apr 2022, 23:28 En ik zit nog steeds met mijn constatering van een (mogelijk) niet met elkaar matchende druk en temperatuur na 24 uur.

Kun je misschien een soort verwarmingselement (bijvoorbeeld weerstandsdraad) in het water plaatsen? Dan kun je het water opwarmen, om te zien vanaf welke temperatuur de dampdruk weer klopt.

Off topic: het doet me denken aan een ander topic waarin ik met een vacuumpomp een ei in water heb ontgast, en een ei in zonnebloemolie, en een ei in een plastic zakje in olie. Anders dan jouw experiment, maar toch ook spelen met vacuüm. Deze video: link.

Ja daar dacht ik ook aan. Verwarmen en druk en temperatuur plotten.
Maar jij hebt vooralsnog ook geen verklaring voor het verschil begrijp ik.
Toch ook even kijken of ik een eenvoudige oliebarometer kan maken om mijn digitale meter te controleren.

Begin 70er jaren, naar aanleiding van het Apolloprogramma, las ik dat, als men water in de ruimte spuit, er ijskristallen ontstaan.
Dat bracht me op het idee om gloeiend koolstof in de ruimte te brengen, in de hoop dat er diamant zou ontstaan. Dat werd niet opgeplakt door mijn baas. Helaas een gemiste kans bleek later.

>> Helaas een gemiste kans bleek later. <<

Hoezo? Is het nu een 'booming Business' want dat lijkt mij, zachtgezegd, dan verbazingwekkend.

Als ik het mij goed herinner, dan heeft men, bij het verhitten van koolstof in vacuüm, grafeen gevonden.

Grafeen kan inderdaad in een vacuüm worden gemaakt (dan wordt het onder hoge temperatuur opgedampt op substraat). Maar zo is dat niet ontdekt. De ontdekkers trokken met plakband laagje voor laagje koolstof van grafiet af, net zolang tot er nog een laagje -grafeen- resteerde.
Wat dit met diamant te maken heeft ontgaat mij. En de voorgestelde productiemethode is nogal onbetaalbaar. Een vacuüm hier op Aarde is eenvoudig te realiseren, geen lanceringen nodig.

Maar we zijn hier wel erg off-topic, dus ik laat het hierbij.