“Hij staat nog geen tien seconden aan of daar begint het al: een zacht geruis in de waterkoker. Het geruis wordt steeds luider. Soms hoor je zelfs scherpe knallen. Zodra het water begint te koken, is het meteen weer zalig stil.” Zo begint het antwoord dat journalist Nienke Beintema in de NRC van 27 juni 2024 aan een lezer geeft in de rubriek Durf te vragen.
Figuur 1. Waterkoker. Bron: Pxhere.com
Herken je dit? Eerst maar eens zelf luisteren. Gebruik een waterkoker met een (gedeeltelijk) doorzichtige wand (figuur 1). Doe er een flinke hoeveelheid water in. Schakel de elektriciteit in. Houdt met de timer op je telefoon de tijd bij.
a) Noteer telkens als er een verandering is, wat je hoort en wat je ziet.
Uitwerking vraag (a)
-
b) Welke faseovergang treedt op als het water kookt?
Uitwerking vraag (b)
Je ziet overal bellen ontstaan. Het kan geen lucht zijn. De bellen ontstaan in het water. Ze bevatten dus waterdamp. Het betreft daarom de overgang vloeibaar → gasvormig. Dat is verdampen.
De journalist gaat voor haar antwoord te rade bij Michel Versluis, professor aan de universiteit van Twente. Die zegt: “Aan het oppervlak van het verwarmingselement bereikt het water al snel het kookpunt.”
c) Bij welke temperatuur gaat water koken (dat is het kookpunt)?
Uitwerking vraag (c)
100 oC
d) Wijs in figuur 1 de plaats van het verwarmingselement aan.
Uitwerking vraag (d)
e) Wat wordt bedoeld met ‘het oppervlak van het verwarmingselement’?
Uitwerking vraag (e)
Dat is de bovenkant van het verwarmingselement, en die vormt de bodem van het waterreservoir.
f) Welke temperatuur moet het verwarmingselement minimaal hebben?
Uitwerking vraag (f)
Water gaat pas koken bij 100 oC. Het verwarmingselement moet dus minimaal die temperatuur hebben. In het element zit een gloeidraad die heet wordt als er een elektrische stroom door loopt. Hoe hoger de temperatuur van het element hoe sneller het water kookt. Gebruikelijk is een temperatuur tussen 150 oC en 200 oC.
Versluis vervolgt: “Er ontstaan piepkleine belletjes die heel snel groeien en imploderen. Ze bestaan zo kort dat je ze niet ziet.”
g) Wat zit er in die belletjes?
Uitwerking vraag (g)
Waterdamp.
h) Waarom stijgen de belletjes op?
Uitwerking vraag (h)
Waterdamp heeft een kleinere dichtheid dan vloeibaar water. Een belletje waterdamp stijgt dus op in vloeibaar water.
i) Wat is imploderen?
Uitwerking vraag (i)
Imploderen is het tegendeel van exploderen. Het is dus het instorten van een belletje.
j) Bedenk wat de reden kan zijn dat de belletjes imploderen.
Uitwerking vraag (j)
Het belletje bevat hete waterdamp. Als het opstijgt komt het in het koudere water terecht. Het belletje koelt af en krimpt. Dat is het imploderen waar Versluis het over heeft.
k) Hoe heet de faseovergang die in belletje optreedt als het implodeert?
Uitwerking vraag (k)
De hete waterdamp in het belletje koelt af en wordt weer vloeibaar water. Het is dus de overgang gasvormig → vloeibaar. Dat heet condenseren.
“Samen klinken al die micro-implosies als ruisen”, schrijft de journalist.
l) Heb je zelf dat ruisen gehoord?
Uitwerking vraag (l)
-
Ruisen is iets anders dan ‘herrie’. Er had ook kunnen staan: ‘hard geluid’.
m) Welk gevoel drukt het krantenbericht uit met de kop ‘Wat veroorzaakt die herrie?’
Uitwerking vraag (m)
Dat het onaangenaam hard geluid is.
n) Wat zag je toen je herrie hoorde?
Uitwerking vraag (n)
Overal bellen in het water, van beneden tot boven (zoals in figuur 1). Die bellen stijgen op en spatten uit elkaar als ze het oppervlak bereiken.
o) Wat denk je dat de oorzaak van de herrie is?
Uitwerking vraag (o)
Als een bel aan het oppervlak uit elkaar spat geeft dat geluid. Het gaat tijdens het koken om heel veel bellen. Die geven samen heel veel geluid. Bovendien speelt dat zich aan het oppervlak af, waardoor het goed te horen is. Herrie dus!
Terug naar het begin. Al heel gauw nadat je de waterkoker hebt ingeschakeld, ontstaan er bellen in het water. Maar dan noem je het nog niet ‘koken’. We zeggen dat het water kookt als er overal bellen zijn, die opstijgen. De waterkoker slaat dan vanzelf af. Daarvoor zorgt een sensor.
p) Wat zou er met de temperatuur van het water gebeuren als de koker niet zou afslaan?
Uitwerking vraag (p)
De hoogste temperatuur die water bereikt bij verhitting is het kookpunt (). Hoeveel warmte er ook nog via het element toegevoegd zou worden, het water wordt niet heter. Het gevolg zou alleen maar zijn dat het water verdampt. Uiteindelijk kan de koker zelfs ‘droog koken’. Maar zo lang er nog water, blijft de temperatuur 100 oC.
q) Denk je dat de sensor reageert op de herrie of de temperatuur van het water?
Uitwerking vraag (q)
Een waterkoker is bedoeld om water te verhitten. Het moet het kookpunt bereiken. Het enige wat telt is de temperatuur. De herrie is een bijkomend gevolg. Het zou niet logisch zijn als de koker afslaat als de herrie te groot wordt. Stel je voor dat je naast de waterkoker de radio hard hebt aanstaan!
Versluis zegt dat kalkaanslag op het verwarmingselement oorzaak kan zijn van grote temperatuurverschillen. Dat kan leiden tot heviger implosies met luidere knallen.
r) Welke temperatuurverschillen zal hij bedoelen?
Uitwerking vraag (r)
De bovenkant van het element (dus onder in de koker) heeft plaatsen met meer en plaatsen met minder kalk. Waar meer kalk zit wordt de warmte uit het element minder goed aan het water afgegeven. Daar zal het minder heet zijn.
s) Heb jij knallen gehoord?
Uitwerking vraag (s)
Als je antwoord ‘ja’ is, is het tijd om de waterkoker te ontkalken!