Heb je je wel eens af gevraagd waarom luchtballonnen kunnen opstijgen? Waarom het boven in een kamer warmer is dan onderin? In dit artikel zie je met behulp van een eenvoudig proefje hoe dat kan.
We beginnen met een filmpje waarin dit hele verschijnsel zichtbaar wordt. In het vervolg van dit artikel wordt dat verschijnsel verder uitgelegd. Bekijk het filmpje en bedenk of je hier direct al een verklaring voor kunt geven.
Het afkoelen van hete thee, bovenop een laag koud water
Zinken en drijven
Je vindt het waarschijnlijk niet vreemd dat een blokje hout blijft drijven in water en dat een baksteen zinkt. Dit komt omdat het gewicht van hout klein is in vergelijking met het volume (de ruimte die een stukje hout inneemt).De verhouding tussen massa en volume, noemen we de dichtheid van een stof. Voor water is dat makkelijk, 100 ml water heeft een gewicht van 100 gram. De dichtheid van water is 1 gram per milliliter. De dichtheid van hout is minder dan 1 gram per milliliter (voor beukenhout is het bijvoorbeeld ongeveer 0,7 gram per milliliter).
Vloeistoffen met verschillende dichtheden in een glas
Figuur 1: De proef met verschillende vloeistoffen in een glas.
Je ziet dus dat stoffen met verschillende dichtheden zich in water anders gedragen. Dat geldt niet alleen voor vaste stoffen maar ook voor vloeistoffen. Een bekend voorbeeld hiervan is de proef waarbij je verschillende vloeistoffen (met elk een andere dichtheid) in een glas giet. De vloeistof met de hoogste dichtheid zakt dan naar de bodem, daarboven komt de vloeistof met een iets kleinere dichtheid enzovoort. Helemaal bovenop komt de vloeistof met de laagste dichtheid. Ga voor een volledige beschrijving van deze proef naar dit artikel
Hete thee op koud water
Een eigenschap van stoffen is nu dat deze uitzetten (meer ruimte gaan innemen) als de temperatuur toeneemt. Dat betekent dat bijvoorbeeld 100 gram water van 60 0 Celsius meer ruimte inneemt dan 100 gram water van 20 0 Celsius. Het hete water zou dus blijven drijven op koud water, probleem hierbij is echter dat het water meestal snel mengt en dan heb je uiteindelijk allemaal dezelfde temperatuur en maakt het niet meer uit. Met een relatief eenvoudig proefje kun je dit megen voorkomen en zie je dat heet water op koud water blijft drijven.
Als we dit echter met water doen, blijft het uiteraard moeilijk te zien. Daarom is het handiger om dit met thee te doen. De kleur van de thee is duidelijk anders dan die van water. In het onderstaande filmpje zie je hoe dit er uit ziet. Om het mengen te voorkomen, is er eerst koud water in het glas gedaan. Vervolgens is er een laagje plastic overheen gedaan (boterhamzakje). Daarna is de hete thee er bovenop geschonken. Zie hier nogmaals het filmpje waar dit artikel mee begint (dat scheelt weer scrollen).
Nogmaals het afkoelen van hete thee, bovenop een laag koud water
Omdat het hele proces best lang duurt, wordt het filmpje versneld afgespeeld. Aan de meegefilmde wekker kun je zien dat het hele proces van afkoelen in werkelijkheid zo'n zes minuten duurt (terwijl het afspelen van het filmpje minder dan een halve minuut duurt). Op het filmpje zie je de laag met koud water en het plastic zakje. Dan wordt er thee bovenop gegoten en wordt het plastic zakje verwijderd. Je ziet dat de thee bovenop het water blijft drijven maar langzaam gaat het toch een klein beetje mengen. Dit komt omdat de thee afkoelt. De thee die afkoelt zakt een beetje naar beneden en koelt dan nog wat sneller af, zo ontstaan er sliertjes thee die naar de bodem zakken. Na een tijdje is de kleur van de vloeistof in het glas min of meer overal hetzelfde, de thee is gemengd met het water en volledig afgekoeld. Het water is uiteraard een stukje opgewarmd.
Hoe zit het nu met luchtballonnen?
Een luchtballon is gevuld met hete lucht, deze lucht heeft een hogere temperatuur dan de lucht om de ballon heen. De lucht in de ballon wil daarom opstijgen en trekt de ballon mee. Als je de ballon lek prikt, gaat de lucht nog steeds omhoog maar dan zonder ballon. Een ballonvaarder die verder omhoog wilt, zet een gasbrander aan waardoor de lucht in de ballon een hogere temperatuur krijgt.