Het is goed om jezelf van tijd tot tijd te realiseren dat het leven op aarde in zijn huidige vorm bestaat vanwege in beginsel heel bijzondere omstandigheden. Een dergelijke realisatie kan bijdragen aan het bewustzijn dat we onze planeet en zijn bewoners niet zonder meer voor lief moet nemen, maar hen juist in hun bijzondere hoedanigheden moet leren kennen, waarderen en beschermen.
Binnen dit artikel wil ik het hebben over het kookpunt van vloeistoffen en met name inzoomen op het kookpunt van water. Na een opsomming van de verschillende omstandigheden waaronder het kookpunt van vloeistoffen kan worden beïnvloed, belanden we uiteindelijk bij extreme dampdrukverhoging als gevolg van hele hoge oppervlaktekrommingen.
Dit fenomeen is er namelijk mede verantwoordelijk voor dat het leven zich op onze planeet in optima forma heeft kunnen ontwikkelen. Om de voordelen van deze extreme dampdrukverhoging beter te begrijpen, is het goed om de verschillende omstandigheden waaronder het kookpunt van vloeistoffen kan worden beïnvloed één-voor-één door te nemen. Dit artikel vertegenwoordigt hiermee deel 1 van een tweeluik over begrijpelijke vloeistoffysica.
Het kookpunt van vloeistoffen hangt af van de intrinsieke balans tussen de tot verwijdering leidende kinetische temperatuursbewegingen van moleculen enerzijds en de aantrekkende intramoleculaire krachten tussen moleculen onderling anderzijds. Toelichting: ‘verwijdering’ in de betekenis van afstand nemen (verwijden).
Het specifieke kookpunt van vloeistoffen wordt gekarakteriseerd door de tot verwijdering leidende kinetische temperatuursbeweging van het gemiddelde molecuul welke zodanig heftig is dat het de gemiddelde aantrekkende intramoleculaire kracht tussen moleculen onderling overwint. Hierdoor verwijden zich de afstanden tussen de moleculen onderling en is er sprake van een faseovergang van vloeibaar naar gasvormig. De dampdruk van een vloeistof moet hiervoor uiteindelijk gelijk zijn aan de externe gasdruk.
Onder hogere druk speelt met name dat er meer arbeid moet worden verricht voor de verwijdering tussen de gasvormige moleculen onderling. De dampdruk van de vloeistof moet namelijk in dezelfde mate toenemen als de externe gasdruk. Hierdoor verschuift de balans dus in een later stadium van de opwarming naar de tot verwijdering leidende kinetische temperatuursbewegingen van moleculen boven de aantrekkende intramoleculaire krachten tussen moleculen onderling. Hierdoor leidt een verhoogde druk tot kookpuntsverhoging.
Onder lagere druk speelt juist dat er minder arbeid moet worden verricht voor de verwijdering tussen de gasvormige moleculen onderling. De dampdruk van de vloeistof moet namelijk in dezelfde mate afnemen als de externe gasdruk. Hierdoor verschuift de balans dus in een eerder stadium van de opwarming naar de tot verwijdering leidende kinetische temperatuursbewegingen van moleculen boven de aantrekkende intramoleculaire krachten tussen moleculen onderling. Hierdoor leidt een verlaagde druk tot kookpuntsverlaging.
Behalve dat een lagere druk zorgt voor kookpuntsverlaging, zorgen ook opgeloste zouten of andersoortige opgeloste stoffen voor kookpuntsverlaging. Dit is het gevolg van de verlaging van de gemiddelde aantrekkende intramoleculaire kracht tussen moleculen onderling. Opgeloste zouten (of andersoortige opgeloste stoffen) die zich begeven tussen de moleculen van de vloeistof verlagen namelijk de gemiddelde aantrekkende intramoleculaire kracht tussen moleculen onderling. Hierdoor is er per saldo minder energie nodig voor de verwijdering tussen de moleculen onderling. Als gevolg hiervan overwinnen de tot verwijdering leidende kinetische temperatuursbewegingen van moleculen dus in een eerder stadium van de opwarming de aantrekkende intramoleculaire krachten tussen moleculen onderling. Met kookpuntsverlaging tot gevolg.
Kookpuntsverlagingen leiden per definitie tot evenredige dampdrukverhogingen tussen vries- en kookpunt. Op de relatief uitgebreide grensvlakken met een hele hoge oppervlaktekromming van hele kleine vloeistofdruppels is de gemiddelde aantrekkende intramoleculaire kracht tussen moleculen onderling enorm veel lager dan dat geldt voor meer horizontale grensvlakken. Dit is het gevolg van het feit dat moleculen op gekromde grensvlakken door minder verwante moleculen worden omringd. Hierdoor is er per saldo minder energie nodig voor de verwijdering tussen de moleculen onderling.
De tot verwijdering leidende kinetische temperatuursbewegingen van moleculen overwinnen hiermee in een veel eerder stadium van de opwarming de aantrekkende intramoleculaire krachten tussen moleculen onderling. Extreme kookpuntsverlaging en hierbij specifiek extreme dampdrukverhoging als gevolg van de hele hoge oppervlaktekrommingen zijn hiermee een feit.
Kookpuntsverhoging wordt toegepast in snelkookpannen en autoclaven om voedsel onder een substantieel hogere temperatuur dan 100 graden Celsius in versneld tempo gaar te koken. Als gevolg van de sterk gereduceerde kooktijd bij hogere temperaturen is er naar verluid dan sprake van minder kwaliteitsverlies van het voedsel. Autoclaven worden tevens gebruikt om voedsel of medische producten te steriliseren, waarbij de hogere temperaturen bacteriën, virussen en sporen doden die resistent zijn tegen gewoon kookwater.
Extreme dampdrukverhoging uit zich voornamelijk in het feit dat hele kleine vloeistofdruppels in de lucht (i.c. aerosolen) of dauwdruppels op planten veel sneller verdampen dan dat vloeistoffen met meer horizontale vloeistofgrensvlakken doen. Extreme dampdrukverhoging speelt met name een erg belangrijke rol binnen de meteorologie, omdat het nauw samenhangt met de oplossing en vorming van wolkenformaties. Extreme dampdrukverhoging zorgt er verder voor dat de waterdamp in de hogere koudere luchtlagen nauwelijks wolken vormt.
Als de extreme dampdrukverhoging van hele kleine waterdruppels zich niet op de hierboven beschreven manier zou voordoen, dan zou de Aarde mogelijk veel meer op Venus lijken. Venus staat bekend om zijn enorm dikke permanente wolkendek en zijn volledige gebrek aan direkte zonneschijn aan de oppervlakte. Op Venus is dit onder andere het gevolg van de enorm hoge atmosferische druk. Deze hoge druk zorgt voor een extreme kookpuntsverhoging en daarmee samenhangende extreme dampdrukverlaging, waardoor vloeistoffen relatief moeilijk in gasvormige toestand kunnen blijven bestaan in de hogere en koudere atmosferische lagen.
Als extreme dampdrukverhoging van hele kleine waterdruppels zich niet zou voordoen – zoals het gelukkig wel gewoon doet – dan hadden voor de Aarde mogelijk deels dezelfde meteorologische condities gegolden als voor Venus. Immers, een potentieel-ontbrekende extreme kookpuntsverlaging en hiermee tevens ontbrekende extreme dampdrukverhoging van hele kleine waterdruppels komt qua meteorologische effecten sterk overeen met de enorm hoge atmosferische druk op Venus die leidt tot een extreme kookpuntsverhoging en daarmee samenhangende extreme dampdrukverlaging.
Dat de aarde niet op Venus lijkt en de zon hier best vaak schijnt, hebben wij dus onder andere te danken aan de voorkomende extreme kookpuntsverlaging en hiermee samenhangende extreme dampdrukverhoging van hele kleine waterdruppels. Tel jouw zegeningen van tijd tot tijd!
