Kook je water in een pan met deksel, dan condenseert de waterdamp, valt weer terug in de pan en moet opnieuw verdampen. Logisch dat dit het juiste antwoord lijkt. Totdat ik erover na ging denken en gebruikmaakte van een heel krachtig middel uit de natuurkunde: de wet van behoud van energie.
Zelf doen
Omdat dit een simpel proces is, is het ook eenvoudig zelf te onderzoeken. Neem een pan met een kleine hoeveelheid water en meet de tijd die nodig is om de pan droog te laten koken. Doe dat een keer met de deksel erop en een keer zonder de deksel, zie figuur 1. Let er wel goed op dat je in beide gevallen precies dezelfde hoeveelheid water gebruikt, dat je het water even snel verhit en dat je de tijdmeting start vanaf het moment van koken.
Als je dit nauwkeurig doet, blijkt dat de benodigde tijd in beide gevallen gelijk is.
Hoe zit het?
We kunnen dit begrijpen door naar de energiestromen te kijken en vooral naar het evenwicht tussen de toegevoerde energie en de afgevoerde energie. Om te beginnen zorg je er dus voor dat de warmte die je toevoert aan de pan en het water in beide gevallen gelijk is. Waar wordt die energie voor gebruikt, waar gaat die naartoe?
Laten we eerst eens kijken naar de situatie zonder deksel. Een deel van de energie verdwijnt via de hete buitenkant van de pan naar de lucht er omheen. De rest van de warmte zorgt ervoor dat het water verdampt. Dat zijn de enige twee ‘afvoerstromen’. Voordat het water kookt, is er ook energie nodig om het water en de pan op te warmen, maar tijdens het koken niet. Het water heeft dan een vaste temperatuur van 100 oC. Je hebt energie nodig om het water op die 100 oC te houden, maar dat moet in beide gevallen.
Als je dit nu herhaalt met een deksel, verandert er niets aan de warmtestromen tijdens het koken. Dan blijven pan (nu met deksel) en water weer op de constante temperatuur. En de energie die beschikbaar is voor verdamping is ook gelijk.
Je hoeft dus niet te begrijpen hoe de verdamping en condensatie onder het deksel precies in elkaar zitten. Met deze energiebeschouwing zoom je als het ware uit en kijk je van een wat grotere afstand naar je experiment. En dan kun je zien dat er netto evenveel warmte in het verdampen gaat zitten.
Er is toch nog wel een klein verschil in de twee situaties. Het verwarmde deksel zal stralingswarmte verliezen aan de omgeving. Maar in de proef zonder deksel verliest het wateroppervlak deze stralingswarmte. De warmtetoevoer aan het water gaat namelijk niet alleen zitten in het koken, maar ook in de afgegeven warmtestraling van het wateroppervlak. Die laatste warmtestroom is kleiner dan de stralingswarmte van de deksel. Met andere woorden: met deksel zal de verdamping misschien zelfs iets sneller gaan, omdat er meer warmte beschikbaar is voor verdamping.
Maar onze ervaring dan?
Hoe komt het nou dat we denken en verwachten dat met deksel het verdampen minder goed gaat? In het keuken zetten we het gas lager als het water aan de kook is gebracht. Dan gebruik je de toegevoerde warmte hoofdzakelijk om het stralingsverlies van de pan aan de omgeving tegen te gaan en nog een heel klein beetje om het water te laten verdampen. Je kookt pasta, rijst of iets anders eigenlijk altijd heel rustig, nooit op vol vuur. Zonder deksel verdwijnt er dan waterdamp door langsstromende lucht en daardoor zal er inderdaad meer water verdampen.
Afkoelen
Nu je weet hoe het zit met opwarmen en koken van water, kun je het zelf ook eens proberen met afkoelen met en zonder deksel. Hier heb je als extra instrument een thermometer voor nodig. Breng weer een kleine hoeveelheid water aan de kook en meet hoelang het duurt (met en zonder deksel) tot de temperatuur van het water weer gedaald is naar bijvoorbeeld 30 graden. Wat denk je? Probeer eerst een voorspelling te doen en meet dan.
Bron
Ik heb dit proefje en verklaring niet zelf bedacht. Het komt uit het boek “Everyday Physics” van Jo Hermans uit 2021.
In het boek staan zo’n zeventig stukjes over onderwerpen uit de alledaagse natuurkunde, bijvoorbeeld hoe scherp je kunt zien, of je 100 km/h kunt fietsen en waarom ijs glad is. Erg leuk om te lezen en over na te denken!
