visualisatie > modale logica > Fysica in de keuken

Fysica in de keuken

 

 

Aggregatietoestanden water in de bergen

 

Definities: Fysica in de keuken

Agregatietoestand

De aggregatietoestand is de macroscopische (met het blote oog waarneembare) verschijningsvorm van een gegeven hoeveelheid materie. De overgang van de ene naar de andere aggregatietoestand van materie is een fysisch proces, onder invloed van temperatuur en druk: er vinden geen chemische veranderingen plaats.

Kookpunt

Het kookpunt van een zuivere stof is de temperatuur waarbij een vloeistof gasbellen gaat vormen bij een bepaalde omgevingsdruk. Het atmosferisch kookpunt is de temperatuur waarbij de dampdruk van de vloeistof gelijk is aan de atmosferische druk.

Het proces waarbij de vloeistoffase overgaat naar de gasfase noemt men verdamping. Wanneer dit gepaard gaat met de vorming van gasbellen wordt dit koken genoemd. Omdat de dichtheid van het gas lichter is dan dat van de vloeistof, zal bij koken als gevolg van de opwaartse kracht de dampbellen naar boven bewegen.

Als de verdampingswarmte en de dampdruk van een vloeistof bij een bepaalde temperatuur bekend zijn, kan het kookpunt worden berekend met behulp van de Clausius-Clapeyron-vergelijking.

Condensatie

Condensatie is de faseovergang van gas- of damp-vorm naar vloeistof en is het tegenovergestelde van verdampen. Wanneer warme, vochtige lucht afkoelt tot onder het dauwpunt, zal de waterdamp in deze lucht condenseren. Warme lucht kan een grotere hoeveelheid waterdamp bevatten dan koude lucht (regel: de maximale hoeveelheid waterdamp die de lucht kan bevatten is afhankelijk van de luchttemperatuur m.a.w hoe groter de luchttemperatuur, hoe groter de maximaal mogelijke hoeveelheid waterdamp).

Bij condensatie van vocht uit de lucht komt warmte vrij, deze is gelijk aan het omgekeerde van de verdampingswarmte.

Stoom

Stoom is een aggregatietoestand van water. Vaak wordt de naam stoom gegeven aan een nevel van water: kleine zichtbare druppeltjes water boven bijvoorbeeld een fluitketel. Echte stoom (waterdamp) is echter onzichtbaar.

Experimenten: Fysica in de keuken

Zie deze video op YouTube: Boiling Point of Water - MeitY OLabs

Toepassingen Fysica in de keuken

Water opwarmen en is een van de oudste technieken die de homo sapiens gebruikte om voedsel te bereiden. Volgens archeologen zijn er bewijzen dat de jagers-verzamelaars reeds 250.000 jaar geleden begonnen met het koken van water bij de bereiding van hun voedsel. Het hoeft dus niet te verwonderen dat tot op de dag van vandaag ontelbaar veel toepassingen bestaan van de processen in het schema ‘Fysica in de keuken’. Vandaag worden ze ook op industriële wijze toegepast. Enkele voorbeelden.

In de keuken

Aardappelen, rijst, pasta… worden allemaal gekookt. Verwante methodes zijn stomen, eventueel in de stoomkoker, blancheren en pocheren. Om voedsel te bewaren steriliseert en pasteuriseert men het. Distilleren sluit het rijtje van bewaarmethoden af. Destillatie is een techniek om door middel van verdamping twee of meer stoffen in een oplossing te scheiden, gebaseerd op het verschil in kookpunt van deze stoffen.

In de geneeskunde

Voor elke chirurgische ingreep worden de instrumenten kiemvrij gemaakt onder druk in een autoclaaf.

Verwarming

Stoom wordt ook voor verwarming gebruikt. Hiervoor wordt een lucht-stoommengsel met 100% relatieve vochtigheid gebruikt, omdat deze in vergelijking met oververhitte stoom een veel hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt heeft en bovendien de condensatiewarmte veel hoger is dan de soortelijke warmte van stoom. Deze wijze van warmtetransport wordt bijvoorbeeld benut bij het koken van groente, indien de groente slechts met weinig water op het vuur wordt gezet: stoom condenseert op het zich boven de vloeistof bevindende product, waardoor efficiënt warmte wordt overgedragen.

Als een liter water tot stoom wordt verwarmd wordt het volume ongeveer 1600 keer zo groot. Dus als 1600 liter stoom condenseert naar water vindt er een volumeverkleining van 1600 keer plaats. Met deze methode wordt in de procesindustrie vaak een vacuüm gemaakt. Door stoom door een ejecteur te laten stromen kan een vloeistof opgezogen worden door het grote drukverschil.

Een warmtewisselaar is een apparaat dat warmte van een vloeistof en/of gas gescheiden overbrengt naar een ander medium. Via de toepassing van een warmtewisselaar kan worden bespaard op ruimteverwarming door warmteterugwinning waarbij warmte aan de lucht uit een gebouw wordt onttrokken om er daarna de binnenstromende verse lucht mee te voorverwarmen. Ook in bijvoorbeeld een combiketel zit een warmtewisselaar die van heet CV-water warm tapwater maakt. Technisch gezien is de ketel zelf eigenlijk ook een warmtewisselaar – de thermische energie (warmte) van het verbrandingsgas wordt opgenomen door het water. In de industrie wordt veelal stoom of thermische olie gebruikt als warmtemedium.

Een ideale warmtewisselaar koelt het eerste medium af tot de temperatuur waarmee de tweede instroomt en warmt het tweede medium op tot de temperatuur waarmee het eerste medium instroomt of tot een lagere temperatuur maar in dan een grotere hoeveelheid. Dit ideaal kan benaderd worden met het tegenstroomprincipe.

Aandrijving

Stoom wordt voor vele doeleinden gebruikt. In stoom-zuigermachines en in stoomturbines wordt stoom gebruikt om druk en warmte in mechanische energie om te zetten. Bij de allereerste stoom-zuigermachines werd de zuiger in beweging gebracht door stoom in de cilinder te laten condenseren, waardoor onderdruk ontstond. Latere zuigermachines werkten op stoom met overdruk. Bij stoomturbines wordt oververhitte stoom langs turbineschoepen geblazen.

In de industrie

Het gebruik van water in industriële processen had in de vorige eeuw zo’n omvang genomen dat er alle leven verdween uit de waterlopen door industriële lozingen . Sinds eind 2000 is de Europese Kaderrichtlijn Water van kracht. Deze verplicht alle EU-lidstaten ertoe, de kwaliteit van hun oppervlakte- en grondwater in 2015 op orde te brengen. Uit een rapport van het Europees Milieuagentschap uit 2018 bleek dat de waterkwaliteit langzaamaan verbetert.

Bronnen: Fysica in de keuken

• Amrita Center for Research in Analytics, Technologies & Education, (AmritaCREATE), India
• Collection of Solved Problems in Physics, Department of Physics Education, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University in Prague.