5 september 2011

De moeilijkheid van condensatie

Tijd voor weer wat niveau op het gebied van de natuurkunde.

Bij mijn meimeringen over het weer struikelde ik over een onderwerp dat in principe simpel is, maar dat ik persoonlijk nooit goed heb begrepen. Het gaat over verdampen en condenseren van water. Verdamping koelt af, en condensatie verwarmt.

Om water te laten verdampen moet er warmte toegevoerd worden, en daardoor koelt het geheel af. Dit effect kennen we zeer goed uit het dagelijks leven. Als je zweet of nat bent van de regen of het zwemmen, dan koel je veel sneller af dan wanneer je droog bent. Dat komt doordat het verdampen van het vocht op je huid warmte kost, en die warmte wordt uit je lichaam "getrokken".

Dit is nog eenvoudig voor te stellen. Houd in gedachten dat temperatuur niets anders is dan de snelheid waarmee de water- en luchtdeeltjes zich bewegen. Hoe sneller de deeltjes zich bewegen, des te hoger is de temperatuur en omgekeerd. Zo is ook het absolute nulpunt bij -273 graden te begrijpen: dan staat alles stil. Ook is het zo dat deeltjes in een gas zich meer bewegen dan in een vloeistof. Nu kun je je voorstellen dat een snel bewegend (warm) luchtdeeltje op het water botst en een waterdeeltje uit de vloeistof "ketst", pats! Daarbij wordt het luchtdeeltje afgeremd (afgekoeld) en het waterdeeltje wordt in zijn vrij bewegende gastoestand geschoten. Het waterdeeltje wordt daarbij niet warmer, de toegevoegde energie wordt gebruikt om de gastoestand in te nemen. Dus: de lucht wordt afgekoeld, en het gezamenlijke systeem wordt kouder.

Het tegenovergestelde effect is moeilijker te bevatten: bij het condenseren van waterdamp*) komt warmte vrij. Als bijvoorbeeld de ruiten van de auto of je brillenglazen beslaan, dan worden deze daardoor warmer. Of uit de weerkunde: stijgende warme lucht koelt af met ongeveer 9,8 graden per 1000 meter. Op een hoogte van 1-2 km begint de damp in de stijgende lucht te condenseren, een wolk ontstaat, en deze condensatie heeft tot gevolg dat de stijgende lucht nu LANGZAMER afkoelt, namelijk met 6,5 graden per 1000 meter.

Waarom komt er warmte vrij bij het condenseren? Waar komt die warmte vandaan?

Ik stel me het omgekeerde proces voor van hierboven. Een dampdeeltje en een luchtdeeltje zijn gebroederlijk samen onderweg in gasvormige toestand. Het waterdeeltje neemt een verkeerde afslag en ze botsen tegen elkaar. Daarbij komt het waterdeeltje quasi tot stilstand, en het luchtdeeltje wordt met dubbele snelheid weggeschoten. Het waterdeeltje geeft dus al zijn bewegingsenergie af aan het luchtdeeltje, de lucht wordt warmer. Het waterdeeltje daarentegen wordt zo sterk afgeremd dat het in de langzaam bewegende vloeibare toestand overgaat, in plaats van af te koelen.

Begrijp je het nu? De werkelijkheid is vast ingewikkelder, maar wij mensen vinden dat we moeilijke dingen begrijpen zodra als we ze ons kunnen voorstellen met versimpelde analogieen.

Proefwerkvraag: wat bevat meer warmte-energie, honderd gram nevel of honderd gram gasvormige waterdamp, als beide dezelfde temperatuur hebben? Leg uit.


*) In het spraakgebruik wordt met waterdamp nevel bedoeld. Nevel is echter vloeibaar water in druppelvorm, waarbij de druppeltjes zo klein zijn dat ze in de lucht blijven zweven. In de natuurkunde bedoelen we met (water-)damp gasvormige, onzichtbare waterdeeltjes.

19 opmerkingen:

  1. Het doet mij iets teveel aan school denken en aan de theorien van James Watt...

    BeantwoordenVerwijderen
  2. Ik kan zien dat het goed wordt uitgelegd; toch begrijp ik het niet. Zo gaat het meestal met mij en de natuurkunde ... . Ik ben best een slim ventje, maar erg eenzijdig ontwikkeld.

    BeantwoordenVerwijderen
  3. De volgende keer doe ik er plaatjes bij.

    BeantwoordenVerwijderen
  4. @Emigrant: Wat begrijp je niet, of beter gezegd, vanaf waar begrijp je het niet? (Heb je zin om het te begrijpen?).

    BeantwoordenVerwijderen
  5. Ik weet niet of plaatjes helpen Bob. Het is eerder dat er een soort luik over mij dichtklapt als ik zulke teksten lees. Net als wanneer ik het belastingbiljet lees, of over de Franse grens ga en ineens al mijn Frans kwijt ben. Het zijn hele oude trauma's denk ik.

    BeantwoordenVerwijderen
  6. @Emigrant: Als het net zo is als bij mij wanneer ik het belastingbiljet lees, dan is er geen hoop.

    BeantwoordenVerwijderen
  7. De beta-mensen hebben nog niet gereageerd.

    BeantwoordenVerwijderen
  8. Het weer is blijkbaar heel moeilijk. Gisteren was er een man op TV die in Thüringen verkeerd had geïnvesteerd in windenergie. Het bleek nou net niet te waaien waar zijn molentjes stonden; of te hoog of te laag, weet ik veel. Pas jij maar op met je zonneënergie.

    BeantwoordenVerwijderen
  9. Er zijn tabellen met zonne-uren per maand en jaar voor de verschillende gebieden in Duitsland (en Frankrijk). Daar wordt rekening mee gehouden bij de planning van de installaties.

    BeantwoordenVerwijderen
  10. Het is antwoord B.
    Het gasvormige water bevat meer energie want als dit gas overgaat in water komt er warmte vrij.

    Leuke geschreven visualisatie: de botsing tussen damp- en luchtdeeltje.

    BeantwoordenVerwijderen
  11. Tweede wet van de thermodynamica zegt dat energie alleen kan stromen van hoge temperatuur naar lage temperatuur.
    Dus energie stroomt van warme lucht naar koude bril of voorruit. Afhankelijk van de verzadigde dampspanningen bij de beide temperaturen zal er condensatie optreden.

    Bij een neveldruppel zitten de watermoleculen met waterstofbruggen onderling gebonden, om ze los van elkaar te krijgen tot dampmoleculen is energie nodig. De gasvormige waterdamp heeft daarom de hoogste energie-inhoud.

    BeantwoordenVerwijderen
  12. @Marjan: Een 10. He, he, de eer is gered.

    BeantwoordenVerwijderen
  13. @Kokor: "Tweede wet van de thermodynamica zegt dat energie alleen kan stromen van hoge temperatuur naar lage temperatuur."

    Protest!!! Dit is een verkeerde samenvatting van de wet. De wet is iets ingewikkelder:
    http://nl.wikipedia.org/wiki/Tweede_wet_van_de_thermodynamica

    Als ik met mijn koude bril in een warme ruimte kom, dan beslaat de bril. De brilleglazen warmen nu dubbel snel op: ten eerste door de direkte "normale" warmte-uitwisseling met de warme lucht, en ten tweede door de condensatie. Een condensatie die overigens ontstaat doordat de lucht in de buurt van de bril zodaning afkoelt, dat zij onder haar dauwpunt komt.

    Waterstofbruggen komen weliswaar voor in water, maar het verschil in energie-niveau tussen de vloeibare en de gas-fase is een algemene eigenschappen van alle vloeistoffen, ook van die die geen waterstofbruggen vormen.

    Een 9. Het antwoord was goed, maar de uitleg bevat een aantal argumenten die ter discussie gesteld kunnen worden.

    BeantwoordenVerwijderen
  14. jaja...
    Er is geen proces mogelijk dat als enige gevolg heeft dat warmte van een voorwerp met lage temperatuur naar een voorwerp met een hogere temperatuur stroomt. Is natuurlijk mooier.

    Mooi verschil in aanpak tussen beta's en alfa's.
    Beta's gaan direct aan de slag als ze een moeilijke som voorgeschoteld krijgen, alpha's gaan gemotiveerd niet aan de slag: teveel aan school- of Watt-gedachten; te eenzijdig ontwikkeld; dichtklappend luik door oude trauma's ;)

    BeantwoordenVerwijderen
  15. Ik ben maar één alpha, Kokor. Statistiek is misschien niet je sterkste kant?
    Bij beta's zie ik vaak ook luiken dichtklappen wanneer het om tekstinterpretatie, geschiedschrijving of godsdienst gaat.
    De kloof is blijkbaar onoverbrugbaar geworden.

    BeantwoordenVerwijderen
  16. Ben ik niet een klasse apart dan???

    BeantwoordenVerwijderen
  17. Is dat een l aan het einde ;) ik ben een dwangmatig palindromer.

    Die waterstofbruggen zorgen ervoor dat de verdampingswarmte van water bijv. 9 keer groter is dan van chloroform.
    Een fysisch model voor verdamping.

    ...en de verdampingswarmte wordt nul bij het kritisch punt... had je wel de druk en temperatuur opgegeven bij je opgave??

    BeantwoordenVerwijderen
  18. Wanneer niet anders wordt aangegeven, is uit te gaan van kamertemperatuur en atmosferische druk.

    De kritische temperatuur van water ligt bij 374 Graden Celsius, dus dat speelt hier geen rol. (Ik had nog nooit van kritische temp. gehoord, maar bij deze dan).

    Water is onder de vloeistoffen/ stoffen een hele aparte soort. Maar we begeven we ons nu al een eind aan mijn spontane natuurkundige kennis voorbij.

    BeantwoordenVerwijderen