Proef 2.2.2b: water koken bij 80 graden?

1. Uitvoering

Het stukje les waarin deze demo past, kan het beste uit drie delen bestaan: een korte inleiding, de demo zelf en de toepassing van het geleerde.

In de inleiding kunt u de vraag stellen of water altijd bij 100 ^oC kookt. ‘Ze zeggen dat water op een berg bij lagere temperatuur al kookt. Zouden we hier kunnen nagaan of dat waar is?’ Door te vragen naar het verschil in omstandigheden tussen zeeniveau en op een berg kunnen de leerlingen op het idee komen: dat komt door lagere luchtdruk. 

Zie voor de uitvoering het filmpje waterkokenbij80graden.demo. Door de luchtdruk in een doorzichtige wijnfles die gedeeltelijk met water van 80 ^oC gevuld is, met een vacuvin pompje te verlagen, gaat het water koken. Zie ook onderstaande foto.

Omgekeerd geldt ook dat water onder een hoge druk pas bij hogere temperatuur gaat koken.

Bij de toepassingen kunt u terugverwijzen naar het water koken op een berg. Maar ook naar een stoommachine waarin water onder hoge druk tot boven 100 ^oC wordt verwarmd. Ook huishoudelijke apparaten die kokend water leveren (zoals expresso koffiezetmachines en de Quooker) verwarmen water onder druk tot boven 100 ^oC, zodat het water, bij drukverlaging tot normale druk, als de kraan wordt opengezet, er kokend uit komt. 

2. Praktische aanwijzingen

Zie het eerste deel van het filmpje waterkokenbij80graden.aanwijzingen voor de docent.

Voor de demo heeft u nodig:

• een heldere glazen wijnfles
• Een vacuvin pompje en bijpassende rubberdop met ventiel (aanwezig in lestrolley);
• desgewenst; een laboratoriumthermometer.
• kooksteentjes (kleine scherven van aardewerk voldoen)
• heet water van ca 80 ^oC (uit waterkoker of warme kraan)

De vacuumpomp voor wijnflessen (‘vacuvin’) is in Nederland bij huishoudelijke artikelenzaken als Blokker te krijgen voor ca € 10. Ze zijn ook via internet te bestellen. Maar misschien ook te leen bij wijnliefhebbers, die er een thuis hebben.

Neem een heldere glazen fles, zodat het goed zichtbaar is wat erin gebeurt. Spoel de fles om met heet water en vul hem voor een derde met heet water van 80 à 90 ^oC. Als het water niet warm genoeg is, lukt het niet om het te laten koken.

Doe de kooksteentjes in het water, zij bevorderen het ontstaan van dampbellen.

Let op. Als u ongekookt water gebruikt, zit daar nog lucht in opgelost. Dan wordt het water, bij drukverlaging, eerst troebel omdat de lucht in kleine belletjes vrij komt. Die bellen stijgen op en het water wordt weer helder. Bij doorpompen gaan er grote bellen ontstaan. Die zijn gevuld met waterdamp. Ze stijgen op en spatten aan het wateroppervlak uiteen.

Door nog eens te pompen als het borrelen is opgehouden, kan het water opnieuw gaan koken. Als het deel van de fles boven water wordt afgekoeld (met de hand, met een natte lap), dan gaat het water weer koken. Op de koude plek in de fles condenseert waterdamp. De druk boven het water daalt en er kunnen weer dampbellen in het water ontstaan.

3.Didactische aanwijzingen

Zie het tweede deel van het filmpje waterkokenbij80graden.aanwijzingen voor de docent  voor het leerdoel, de voorkennis van leerlingen en activerende vragen voor, tijdens en na de demo.

leerdoel: De leerlingen kunnen beschrijven dat je water onder 100 ^oC kunt laten koken door de druk boven het water voldoende te laten dalen.

voorkennis

• uit het dagelijkse leven weten leerlingen
  • dat water kookt als er bellen in komen die omhoog gaan en aan het wateroppervlak uiteen spatten
• bekend veronderstelde voorkennis uit het natuurkunde onderwijs: de leerlingen weten
  • dat water kookt bij 100 ^oC
  • wat luchtdruk is
  • dat de luchtdruk gewoonlijk ongeveer 1 atmosfeer is
  • dat je de druk van de lucht met een pomp kunt verlagen
• leerlingen kunnen het denkbeeld hebben
  • dat water alleen bij 100 ^oC kookt.
  • dat er in de bellen die tijdens het koken ontstaan, lucht zit, in plaats van waterdamp
  • dat het water al kookt als de in het water opgeloste lucht vrij komt (dan raast het water, bij ca. 90 ^oC) .
• wat de leerlingen nog niet weten:
  • dat het koken van water warmte kost en dat de temperatuur van het water dat onder verlaagde druk kookt, daardoor omlaag gaat
  • dat er boven het water zich een dampdruk opbouwt en dat de maximale dampdruk van de temperatuur afhangt.

vragen voor, tijdens en na

U kunt de leerlingen bij de demonstratieproef betrekken door het vragen te laten beantwoorden.

Vooraf, bij de inleiding, kunt u vragen stellen zoals:

• zou het ook mogelijk zijn om water bij een lagere temperatuur te laten koken?

Tijdens het uitvoeren van de proef kunt u vragen stellen zoals:

• wat gebeurt er tijdens het pompen met de druk boven het water? En met de druk in het water?
• wat zit er in de bellen die nu ontstaan?

Na het uitvoeren, tijdens de bespreking, kunt u vragen stellen zoals:

• hoe hoog was de druk in de bellen die ontstonden bij het koken?
• wat zou je moeten doen om het water bij een nog lagere temperatuur, bijvoorbeeld 70 ^oC, te laten koken?

* met dank aan Fridolin van der Lecq voor het maken van de filmpjes in het Teaching and Learning Lab van het Freudenthal Instituut (Universiteit Utrecht).