Waarom water kan bevriezen bij 4 °C

Een vogelbadje is handig om vogels te helpen gehydrateerd te blijven als het moeilijk is om drinkwater te vinden, bijvoorbeeld tijdens hete zomers of koude winters. Ze kunnen worden uitgerust met verwarmingselementen om te voorkomen dat ze bevriezen in de winter. Maar dat is alleen nuttig bij temperaturen onder nul... of toch niet?

Een voorbeeld daarvan komt uit de "wetenschap" van vogelbaden. Er is onderzocht dat op dagen waarop de buitentemperatuur nooit onder de 4 °C daalde, het wateroppervlak toch bevroor, waardoor de arme vogels het niet alleen koud kregen maar ook dorstig bleven. Verrassend genoeg kan de vraag hoe water kan bevriezen boven de 0 °C worden beantwoord door te verklaren hoe het kan verdampen onder zijn kookpunt. Twee fenomenen die op het eerste oog niets met elkaar te maken hebben!

Verdamping onder 100 °C

In een vorig artikel hebben we het erover gehad dat water een van de krachtigste koelmiddelen in de natuur is. Van alle vloeistoffen heeft het de hoogste latente verdampingswarmte, wat betekent dat het meer energie kost dan elke andere vloeistof om de bindingen tussen de moleculen te verbreken en vloeibaar water om te zetten in waterdamp. Terwijl er slechts ongeveer 4,2 kJ warmte nodig is om de temperatuur van een liter water met één graad te laten stijgen (laten we zeggen van 99 °C naar 100 °C, het bekende kookpunt op zeeniveau), is er meer dan 500 keer zoveel warmte nodig om dezelfde hoeveelheid water te verdampen: 2256 kJ/kg!

Maar wat veel mensen zich misschien niet realiseren is dat je water niet aan de kook hoeft te brengen om het in damp te veranderen. Het is gewoon zo dat water zich gedraagt alsof het geen andere keuze heeft dan te verdampen wanneer het tot 100 °C wordt verwarmd. Maar het kan heel goed verdampen bij veel lagere temperaturen, als het er maar toe gedwongen wordt. En het is logisch als je erover nadenkt: als je pas gewassen wasgoed laat hangen om te drogen, is het binnen een paar dagen klaar, en natuurlijk maken Oxycom's IntrCooll en PreCooll gebruik van het verdampingsprincipe om de lucht te koelen; in geen van beide gevallen hoeft het betrokken water helemaal tot 100 °C te worden verwarmd.

Hoe vochtigheid verdamping beïnvloedt

De vraag is dan: hoe dwing je water al bij kamertemperatuur te verdampen? Dat is eigenlijk heel eenvoudig: door gebruik te maken van het feit dat de natuur niet van abrupte veranderingen lijkt te houden - dus niet anders dan de mens. Vloeibaar water bestaat uit dicht opeengepakte watermoleculen die nog vrij rond elkaar kunnen bewegen. Lucht daarentegen is een gas dat voornamelijk bestaat uit vrij bewegende stikstof- en zuurstofmoleculen, en voor ongeveer één procent uit andere moleculen zoals argon en koolstofdioxide; dit mengsel wordt droge lucht genoemd. Het kan ook een kleine hoeveelheid waterdamp bevatten, meestal in de orde van één procent; het mengsel van droge lucht en waterdamp wordt vochtige lucht genoemd.

Je kunt water gewoon zien als "veel watermoleculen" en vochtige lucht als "heel weinig watermoleculen".

Wanneer water wordt blootgesteld aan lucht, is er een zeer scherpe overgang tussen veel en heel weinig watermoleculen. Die abrupte overgang, die de natuur als het ware probeert te vermijden, wordt afgevlakt door de vorming van een grenslaag daartussen.  Deze grenslaag is nog steeds vochtige lucht, maar nu volledig verzadigd, wat betekent dat het zoveel mogelijk waterdamp vasthoudt bij een gegeven temperatuur. Het kan gezien worden als een soort gemiddelde van de laag vloeibaar water en de omringende onverzadigde vochtige lucht, waardoor de natuur als het ware gerustgesteld wordt.

Diffusie en luchtstroming 

Dan begint een ander natuurlijk fenomeen een rol te spelen. Net zoals voorwerpen altijd naar beneden vallen en nooit omhoog vallen, en kabels altijd de neiging hebben om in de knoop te raken maar zichzelf nooit ontwarren, zal waterdamp zich verplaatsen van plaatsen met een hoge concentratie (de grenslaag) naar plaatsen met een lage concentratie (de vochtige lucht) - een proces dat diffusie wordt genoemd. Dit gaat vanzelf, maar kan enorm versneld worden door een ventilator te gebruiken om lucht die over het wateroppervlak stroomt te forceren.

Het resultaat is dat deze lucht vochtiger wordt, maar ten koste van de grenslaag die waterdamp verliest. De natuur reageert opnieuw door vloeibaar water om te zetten in waterdamp om de oorspronkelijke verzadigde toestand van de grenslaag te herstellen. Maar vergeet niet dat voor deze overgang veel energie nodig is, die aan de lucht zelf wordt onttrokken. De lucht wordt niet alleen vochtiger, maar koelt ook af!

Vochtigheid en temperatuurdaling

Of het nu op kamertemperatuur is, dicht bij het vriespunt van water of meer richting het kookpunt, dit proces zal bij elke gegeven temperatuur plaatsvinden. Het is zelfs efficiënter bij kamertemperatuur dan bij het kookpunt, vanwege de hogere latente verdampingswarmte: 2454 kJ/kg bij 20 °C. Dit betekent dat voor elke toename van 1 g/kg in absolute vochtigheid veroorzaakt door geforceerde verdamping, de temperatuur met ongeveer 2,5 °C daalt. Dit proces gaat door totdat de lucht volledig verzadigd is en geen water meer kan vasthouden. De temperatuur die de lucht dan heeft bereikt, wordt de natteboltemperatuur genoemd. Dit is de laagste temperatuur die mogelijk is door verdamping. De IntrCooll gebruikt trouwens een slimme techniek om de natuur te misleiden en de lucht af te koelen tot onder de natteboltemperatuur, maar dat is misschien een verhaal voor een andere keer.

De natteboltemperatuur begrijpen

De term natteboltemperatuur doet misschien niet bij iedereen een belletje rinkelen, maar je kunt de naam letterlijk nemen. Een ouderwetse vloeistofthermometer heeft onderaan een bol gevuld met alcohol die uitzet bij temperatuurverhoging. De aflezing op de thermometer noemen we temperatuur, maar strikt genomen is het de drogeboltemperatuur. Als we deze bol bedekken met een doek die doordrenkt is met water (natte bol!) en om het proces te helpen, blazen we er wat lucht omheen, zal de thermometer ons een lagere waarde tonen: de natteboltemperatuur.

Onbewust zijn we allemaal bekend met de natteboltemperatuur. Stap uit de douche of uit een zwembad en het voelt ineens een stuk kouder aan: de geïnduceerde verdamping onttrekt warmte aan je huid en wat je ervaart is de natteboltemperatuur. Maar in tegenstelling tot de schijnbare temperatuur (die de temperatuur is die mensen waarnemen, gebaseerd op de gevoelstemperatuur en dus per definitie subjectief), is de natteboltemperatuur een echte fysieke grootheid die objectief gemeten kan worden.

Waarom het vogelbadje boven 0 °C bevriest

Laten we teruggaan naar het voorbeeld van het vogelbadje. Hoewel de drogeboltemperatuur de hele dag boven nul lag en het dus continu boven het vriespunt was, daalde de natteboltemperatuur op het grensvlak tussen water en lucht onder nul. Daardoor bevroor het vogelbadje toch. Helaas nog steeds dorstige vogels, maar intrigerende wetenschap!