Mijn vrouw kwam een paar weken geleden met een gadget aan, dat ze bij de ANWB had gekocht. Meestal vallen die gadgets tegen, maar deze handwarmer was toch wel interessant. De gadget bestond uit twee gelijke zakjes met een blauwe vloeistof erin. In die vloeistof dreef een soort plaatje, waarbij het de bedoeling was om dat plaatje te “klikken” om de vloeistof warm te laten worden. En waarachtig, het werkte. Ik kon mijn handen zeker een halfuurtje warm houden. Hoe kan dat? Dit keer over vriezen en dooien.
IJs Water Stoom
Om dit opwarmen te begrijpen kijken we eerst naar iets dat we allemaal kennen: het proces van smeltend ijs en verdampend water. Heb je een blok ijs van -20C in een bak en warm je het systeem langzaam en regelmatig op, dan begint het blok ijs bij 0C te smelten. Je krijgt dan een mengsel van water en ijs van 0C. Pas als het ijs helemaal is gesmolten, warmt het verder op. Een soortgelijk proces treedt op wanneer je de boel verder opwarmt naar 100C. Bij deze temperatuur verdampt het water tot stoom en ook hier blijft het systeem constant 100C totdat al het water is verdampt. We komen dit proces dagelijks tegen bij het koken van eieren of sperziebonen.
Terug naar dat smeltend ijs. Als de temperatuur bij 0C constant blijft wordt vanaf dat moment de toegevoerde warmte opgeslagen in het systeem van ijs en water, totdat al het ijs is gesmolten.
In de rode grafiek heb ik het smelt en verdamptraject nog eens weergeven door de temperatuur (van -20C naar 100C) tegen de tijd uit te zetten. We zien twee rechte stukken in de grafiek bij nul (ijs smelt) en honderd graden (het water verdampt en verdwijnt in de ruimte).
Omgekeerd gebeurt hetzelfde wanneer je het water afkoelt. We beginnen voor het gemak bij water van 99C omdat de stoom in de keuken verdwenen is. We zien dat bij 0C de temperatuur constant blijft wanneer het water overgaat in ijs. Hier komt de opgeslagen energie die in het water zat, weer vrij.
Figuur: De opwarmcurve (links) en afkoelcurve (rechts) van water.
Er zijn heel veel stoffen die bij smelten en verdampen een soortgelijk gedrag vertonen. Zo kennen we niet alleen vaste en vloeibare stikstof voor de wratjes bij de dokter, maar ook vloeibaar kaarsvet in je waxinelichtje of gesmolten ijzer bij Tatasteel.
Natriumacetaat
Er zijn stofjes die een afwijkend gedrag vertonen en één daarvan is het opgeloste zout natriumacetaat. Dit zout van natrium en azijnzuur zit bijvoorbeeld in aardappelchips als smaakmaker, maar het zit ook als kristal, in dat handwarmertje. Als je dit zoutkristal opwarmt, dan smelt het bij 58C en zie je een mooie heldere blauwe vloeistof ontstaan. De tijd-temperatuur grafiek heeft hier ook een vlak stuk, maar niet bij 0C, zoals bij water, maar bij 58C terwijl daarna de temperatuur met de tijd weer oploopt. Niks aan de hand zou je zeggen. Maar nu komt het: ga je de vloeistof vanaf 80C weer afkoelen dan gebeurt er bij 58C niets. Die natriumacetaat moleculen willen geen kristal worden. De blauwe vloeistof blijft vloeistof en de opgeslagen warmte blijft in de vloeistof zitten. We noemen dit onderkoeling of superkoeling.
De reden van “het vloeistof blijven” is, dat de watermoleculen waarin het zout is opgelost zich tussen het Natriumacetaat wringen, waardoor het zout niet kan kristalliseren. Dit betekent dat de opgeslagen warmte in de vloeistof blijft zitten.
Een schokgolfje
Er is een eenvoudige, puur mechanische manier om het kristallisatieproces alsnog aan de gang te krijgen, door een mechanisch schokgolfje door de vloeistof te sturen. Dat gebeurt door een aluminium plaatje, dat zich in de vloeistof bevindt (zie tekening Joop), te “klikken” (denk aan die click-kikkers). Door dat schokgolfje worden lokaal de watermoleculen uit het natriumacetaat gejaagd en kan de vloeistof toch gaan kristalliseren. Er ontstaat een soort van kettingreactie, die al de omliggende moleculen meesleuren in het kristallisatieproces, waardoor de oorspronkelijk opgeslagen energie in de vorm van warmte weer vrijkomt. Het systeem wordt een dikke 50C en dat is voldoende om je handen weer warm te krijgen.
Je kunt het gekristalliseerde zout weer vloeibaar krijgen door het weer boven de 58C op te warmen. In de praktijk betekent het dat je de zakjes in een washandje doet en dat geheel in een pannetje met (bijna) kokend water. Je stopt daarmee de energie terug in de vloeistof, en zo is het zakje weer klaar voor gebruik.
Het vak van de verschijningsvormen (vast, vloeibaar en gas) van stoffen heet fasenleer. Het vak zweeft tussen de natuur- en scheikunde in. Er is naast de temperatuur nog andere factoren die van belang zijn bij de fasen van stoffen, en dat zijn de druk en het volume. Door te spelen met snelle druk- en volumeveranderingen tussen gas en vloeistofmengsels (denk aan het streng verboden cfk-gas freon) ontstaan er temperatuurverschillen, die aan de wieg staan van koelkasten, airco’s en warmtepompen. Die apparaten spelen een belangrijke rol bij ons energiegebruik en onze energietransitie.
Dick is een natuurkundige die in zijn onderzoekstijd heeft gewerkt aan vloeibare kristallen. Dat zijn vloeistoffen met een beetje geordende kristalstructuur en complexe faseovergangen.
Bronnen: Wikipedia (Natriumacetaat, smelten en verdampen)
Tekening: Joop van Eck
