sciencetalk

Het is bekend dat bij (naderende) vorst het verstandig is om buitenkranen e.d. aftesluiten en het water wat nog in die leidingen zit af te tappen, zodat er niets inzit. Doet men dit niet, dan bestaat de kans dat de kraan of (meestal) de koperen leiding kapot vriest.

Nu weet ik uit ervaring dat als je een stalen pijpje hebt, die voor verwarmingsbuizen gebruikt wordt, als je die aan beide kanten verzegeld (dichtlast) en er daarna een klein gaatje inmaakt met schroefdraad voor de bout, en je vult het pijpje helemaal en je legt hem in de vriezer dat het pijpje dan kapot vriest, ook als het pijpje van staal is en een wand heeft van 4mm, dan nog kan het pijpje kapot vriezen (ervan uitgaan dat het st37 is en de diameter ong 25mm is).

In de vriezer vriest het harder dan het ooit in ons land zal doen, nl. 40graden, dus de temperatuur in de vriezer is -40*C. Nu heb ik een stalen pijpje gemaakt van st52, de wand is 8mm dik en de binnendiameter is 18mm en de lengte is ongeveer een halve meter. Dus dit pijpje kan een hele hoge druk hebben voordat die kapot gaat. Nu las ik het pijpje met goed lasmateriaal aan beide kanten goed dicht, zodat er geen lekken in zitten. En de las is sterker dan het materiaal waar de pijp van gemaakt is, dus de las gaat niet kapot. Nu boor ik een klein gaatje in een van de zegels die op de beide kanten van de pijp zitten en maak er dan een schroefdraad in voor een bout. Vervolgens laat ik er water in lopen, d.m.v een injectiespuit, en doe dat net zolang tot de pijp helemaal vol zit. Dan draai ik er een bout op die ik eerst goed intape en die er precies oppast zodat er geen water meer uit kan. Vervolgens leg ik die buis in de vriezer waar het -40*C is.

Mijn vraag is zal deze pijp nu ook kapotvriezen, gezien de dikke wand en de staalsoort? Nogmaals, de lassen die houden het en er wordt ook geen water door de schroefnaad geperst. Zonee, wat gaat er dan met het water gebeuren dat zich in die pijp bevindt?

En hoe krijg ik een zo'n hoge druk(theoreties) dat die pijp wel kapot gaat, dus met wel middel wil dat wel? bijv met een andere vloeistof?

Tenslotte, vraag ik mij af waar de energie vandaan komt die een koperen buisje van de kraan kapot krijgt bij vorst, want immers je onttrekt toch energie aan het systeem, dus het komt niet van buitenaf lijkt mij, maar waar komt die energie dan vandaan?

Het kapotvriezen een pijpje door het bevriezen van water is een anomalie. Er zijn maar heel weinig stoffen die uitzetten als ze kouder worden.

Door de toenemende druk zal het smeltpunt van water bij een lagere temperatuur koken te liggen. Zonder het op te zoeken, mijn thermodynamicaboek ligt op het werk, weet ik 99% zeker dat het bij -40 C wel bevroren is.

De energie komt uit de thermische energie die vrijkomt als je een stof laat stollen. Let op, de kracht is wel heel hoog, maar afgelegde weg, het uitzetten, is heel laag, dus de netto energie in het systeem is beperkt. Ik kan je niet zo zeggen wat de druk in zo'n systeem is, dat hangt denk ik sterk af van de uitzetting van de gebruikte staalsoort.

Ervan uitgaande dat de buis met water van 0 C wordt gevuld: door ijsvorming zal het uitzetten en daardoor de druk verhogen. Hierdoor wordt het smeltpunt van water verlaagt. Als je naar de fasediagram van water kijkt zal waarschijnlijk eerst de lijn gevolgd worden die aan de linkerkant bij 0 C begint en naar fase III loopt. Er is dan een soort evenwacht tussen Ih-ijs en vloeibaar water. Van Ih-ijs is de dichtheid relatief hoog (dus hoge druk). Onder de –22 C kan er geen vloeibaar water meer zijn, de druk is dan 2100 bar.

Daarna wordt de verticale lijn tussen Ih-ijs en III-ijs gevolg: ijs-III heeft een relatief hoge dichtheid waardoor de druk iets verlaagd wordt en er een evenwicht ontstaat tussen Ih-ijs en III-ijs. Ik schat dat de einddruk tussen de 2100-2500 bar ligt. Het krimpen van de buis is te verwaarlozen (1/10000 ofzo).

De genoemde buis van St52 kan (520*8*500*2)/(2*0.018*0.5)=2311 bar verdragen. Het hangt er dus een beetje om.

Andere vloeistoffen weet ik zo niet maar anders moet je ff zoeken op goole met "negative thermal expansion" of iets dergelijks.