Spuug en ijs in vrije val

Karel Knip

Waarom hebben ze die rare Doomsday-zaadbank niet aangelegd in Werkojansk? Dat was toch altijd de koudste stad op aarde? In januari min 45 graden, in juli hooguit plus 15, gemiddeld precies wat het wezen moet. En nooit last van ijsberen.

In Werkojansk is het ’s winters zo koud dat de Werkojansker zijn speeksel als ijs op de grond hoort vallen als hij het in kleine druppels naar buiten spuugt. Dat is vaak genoeg beweerd en op internet zijn nog voldoende verwijzingen te vinden naar de waarneming (Google: spitting, saliva, ice). De oudste is misschien wel die uit ‘Cochrane’s pedestrian journey through Russia and Siberian Tartary’ van 1824. John Cochrane doet zijn ervaring op in de buurt van Jakoetsk. Bij 45 graden, schrijft hij, ‘in spitting, the saliva freezes before it reaches the ground and you see it form a round solid ball in the snow.’ Cochrane, die de temperatuur mat in graden Reaumur, voegt er aan toe dat de thermometer vaak uitvalt bij die felle kou.

Jack London beschrijft het fenomeen in 1908 in het verhaal ‘To build a fire’ dat in Alaska speelt. London hoort tijdens een tocht in de kou tweemaal een vreemd geluid (a sharp explosive crackle) en ontdekt dat het komt van het bevriezen van zijn spuug. ‘He knew that at fifty below spittle crackled on the snow, but this spittle had crackled in the air.’

Tweemaal een concrete temperatuuraanwijzing erbij en toch laat de amateuronderzoeker zich niet zomaar overtuigen. Zou het kunnen? Het warmte- en massaverlies van een waterdruppel in vrije val is niet eenvoudig te berekenen. Aan gedegen literatuur op dit gebied is geen gebrek want voor de procesindustrie en de meteorologie is de kennis van belang. Maar het is geen lichte kost.

Zolang de druppel nog vloeibaar is zal de afkoelsnelheid waarschijnlijk vooral door de verdamping worden bepaald en die verdamping kan toenemen doordat de druppels steeds sneller valt, maar afnemen doordat hij tegelijk zo afkoelt. Bedenk ook dat er weer warmte vrij komt als de druppel opeens gaat bevriezen. De Nederlander krijgt op school geen training in het oplossen van dit soort problemen.

Bladerend op internet belandt men makkelijk in het merkwaardige artikel dat Isao Satoh c.s. in 2002 gepubliceerd kregen in de International Journal of Refrigeration: ‘Freezing of a water droplet due to evaporation’. Satoh en zijn kameraden willen graag een nuttig gebruik maken van de enorme hoeveelheid kou die ligt opgeslagen in tankers vol vloeibaar aardgas. (Zo zeggen zij dat.) In verkennend empirisch onderzoek laten zij kleine druppeltjes water vallen in een vacuum gezogen ruimte waarbij die druppels door verdamping zo afkoelen dat ze bevriezen. Maar het blijkt dat die vaak eerst flink onderkoeld raken en dan opeens alsnog bevriezen waarbij de temperatuur weer snel oploopt. Van belang is dat veel druppels al bevriezend exploderen, dus misschien heeft Jack London gelijk.

Wat zou het lot zijn van een stevige klomp ijs die door het luchtledige reist en dan opeens de aardse dampkring in duikt? Al sinds de Amerikanen hun eigen spionagesatelliet USA 193 neerschoten om de mensheid tegen de giftige brandstof daarvan te beschermen knaagt bij de AW-redactie de twijfel aan het nut van de actie. Liep de mensheid wel werkelijk gevaar? Hydrazine is geen prettige stof maar ‘t is anderzijds ook weer geen zenuwgas.

De twijfel betreft vooral de fysische kant van de zaak. Aangenomen wordt dat de verwarming in de satelliet was uitgevallen en dat de 500 liter hydrazine tot een massieve klomp hydrazine-ijs was bevroren. Als de hydrazinetank intact en in gesloten toestand de atmosfeer was ingedoken dan was ze door wrijving flink opgewarmd waardoor de hydrazine weer smolt, later verdampte en vervolgens misschien wel explosief vrij kwam.

De vraag is wat de ijsklomp overkwam toen de satelliet door de SM-3 raket werd getroffen. Misschien viel hij in een paar brokken ter grootte van een strandbal uiteen? Wie zal het zeggen. Wat zou het lot zijn van zo’n ijsbal die opwarmt door wrijving maar tegelijk flink afkoelt door verdamping? Wij weten dat niet, want daarin krijgen wij geen les op de middelbare school.

Sterker nog: op de middelbare school worden wij soms flink belazerd in verdampingskwesties. Laatst viel het oog op een vreemde som die was opgenomen in het leerboek ‘Chemie Overal’. De 0,7 liter wijn uit een fles rode wijn wordt gedestilleerd, zegt de som. Je stopt daarmee als er 0,2 liter destillaat is. Hoe hoog is het alcoholpercentage daarin? Tja, hoe moet de leerling daar in hemelsnaam achter komen zonder de grafiek die hier is afgedrukt. (En die stond er niet bij.)

De grafiek toont de destillatiecurve van een water-alcohol mengsel. De onderste (groene) lijn geeft aan wat het kookpunt is van een gegeven alcohol-water mengsel. Jenever (35 procent alcohol) kookt bij 85 graden. De rode wijn van 12 procent kookt bij 92 graden. De andere (rode) lijn geeft aan wat de samenstelling is van de damp die uit het kokende goedje ontwijkt. Voor de wijn is dat 62 procent alcohol. Let wel: dat valt menselijkerwijs niet te berekenen, dat lees je af uit zo’n grafiek.

Het kernprobleem van de destillatiekwestie is dat de moedervloeistof onder het koken verandert: zij verliest de vluchtige fractie (alcohol) sneller dan de minder vluchtige (water). Hoe bepaal je het alcoholgehalte van 200 ml destillaat? Door in kleine stapjes door de grafiek te reizen. Je destilleert 25 ml wijn en neemt aan dat tijdens het destilleren moedervloeistof en damp constant van samenstelling zijn. Daarna corrigeer je voor deze grofheid en destilleer je opnieuw 25 ml. Als er 100 ml is gedestilleerd dan is het alcoholgehalte van de moedervloeistof teruggelopen tot ongeveer 5 procent. Dat van het destillaat ligt dan rond de 50 procent. Dat hadden de leerlingen nooit kunnen berekenen. Maar als er 200 ml destillaat is verzameld heeft de moedervloeistof nog maar een verwaarloosbare hoeveelheid alcohol. En dat was waar de leerlingen kennelijk vanuit moesten gaan. Zo wordt het hardnekkige misverstand verspreid dat bij het destilleren altijd eerst de alcohol verdampt en pas later het water. Die som moet weg uit dat boek.