Gouden opwellingen in een metalen potje

Fotodienst NRC HANDELSBLAD

Veel ging mis, deze week, maar niet alles. Besloten was om nog eens wat onderzoek te doen aan vrije convectie en Bénardcellen. Toen dat hier voor het laatst gebeurde bestonden er, om zo te zeggen, nog nauwelijks computers en moest een blad als Scientific American de weg wijzen. Nu geeft internet de richting aan.

Bénardcellen kunnen ontzettend actueel worden als het straks gaat vriezen en er ijs komt te liggen op de Hollandse sloten en vaarten. Als het dan daarna ook weer dooien gaat, dan kunnen ze zomaar tevoorschijn komen. Dat poneert althans de meteoroloog Kees Floor die met Bénardcellen hoog in de Google-zoeklijst staat. Drie jaar geleden schreef hij er in Het Weer Magazine een stuk over onder de titel ‘Dooisterren in het ijs’.

‘Vrije convectie’ als zodanig is niets bijzonders. Het treedt op in bijna elke warme vloeistof met een vrij oppervlak. De bovenste laag vloeistof verliest warmte door verdamping en uitstraling, koelt af, krijgt een hogere dichtheid en zakt van de weeromstuit lokaal naar de diepte. Het wegzakken wordt gecompenseerd door opstijging van vloeistof op een andere plaats. Temperatuur- en dichtheidsverschillen brengen dus een stroming op gang, een circulatie.

Waar het vandaag om gaat is dat de convectie in vloeistoffen met voldoende horizontale uitgestrektheid mooie patronen kan vormen als aan een paar basisvoorwaarden is voldaan. De plekken met warme opwelling (de cellen) rangschikken zich in het gunstigste geval in het hexagonale rooster dat bekend is van de honingraat. Na de afwas zie je soms spontaan iets dergelijks gebeuren in het afkoelende troebele afwaswater.

Dit soort patronen werden rond 1900 onderzocht door de Fransman Henri Bénard. Hij wekte ze op in dunne vloeistoflagen die waren aangebracht tussen evenwijdige horizontale platen. Maakte je de bovenste plaat wat warmer dan de onderste dan was succes verzekerd. Rond 1915 heeft Lord Rayleigh het fenomeen theoretisch verklaard, althans voor vloeistoffen met een vrij oppervlak. Anders dan bij opsluiting tussen platen worden de gebeurtenissen daar ook of vooral door de oppervlaktespanning bepaald. De fysica en wiskunde achter Rayleigh-Bénard convectie, waarmee bijvoorbeeld ook de relatie tussen celdiameter en vloeistofdiepte is te berekenen, gaat deze rubriek te boven. Wikipedia noemt grondiger bronnen.

In Het Weer Magazine beschreef Kees Floor hoe ook in smeltend dun ijs op bevroren grachten en poelen Bénardstructuren kunnen verschijnen. Ook dooiplekken zouden zich meer of minder hexagonaal kunnen rangschikken. Floor ziet het als een afspiegeling van vaste patronen in warme opwelling onder het ijs. Het is misschien wat speculatief, maar de typische zeshoekigheid van gefotografeerde dooisterren is wel suggestief. Bekijk het zelf op internet.

Binnen het Wikipedia-lemma is een mooi filmpje aan te klikken dat laat zien hoe makkelijk een Bénard-effect valt op te wekken. (YouTube toont het onder ‘cellules de Bénard’). Je lost een kwakje goudverf op in aceton, brengt het over in een open schaaltje en de rest gaat vanzelf. De verdamping van de aceton koelt het oppervlak zo sterk dat felle stromingen ontstaan.

Dat vroeg om een herhaling. De modelbouwwinkel leverde een tinnetje goudverf, in het gootsteenkastje stonden nog flesjes Etos-aceton van vorig onderzoek en een metalen bakje was ook snel gevonden. En waarachtig, het werkte, zoals op het plaatje te zien is. Met aluminiumverf gaat het trouwens ook goed. Het gaat te ver om het een hexagonaal patroon te noemen, maar feestelijk was het.

Kort daarna sloeg de twijfel toe. Gebeurde hier wel wat er volgens Wikipedia gebeuren moest? Mengt aceton eigenlijk wel met de terpentine (white spirit) die ongetwijfeld het hoofdbestanddeel is van de goudverf? Het was een kleine moeite terpentine en aceton bij elkaar in een monsterflesje te gieten – en ze mengden voor geen meter. De ene heldere vloeistof plaatste zich boven de andere met een haarscherpe meniscus ertussen en wat wat was was met geen mogelijkheid te zeggen. Stond de terpentine boven of de aceton? De tabellen schrijven aan terpentine een lagere dichtheid toe dan aan aceton, maar de marges zijn breed. Ze geven geen uitsluitsel.

Zo staat de amateuronderzoeker opeens oog in oog met een scheikundevraagstuk uit de middelbare schooltijd. Bedenk een methode om terpentine van aceton te onderscheiden. Ruiken telt niet, want de meeste mensen hebben geen geurgeheugen.

Het AW-team wist niets beters te verzinnen dan van enige hoogte een druppel sterke koffie in het vloeistofpaar te laten vallen. Het bleek een gouden greep. De druppel schoot door de bovenste laag bleef even aan de meniscus hangen en daalde toen kalm naar de bodem van het flesje waar het bruin breed uitwaaierde. Kort daarna scheidde zich daaruit een witte hoedanigheid af die opsteeg en tegen de meniscus tot stilstand kwam. Werkelijk aardig om te zien.

Het team heeft eruit opgemaakt dat de onderste laag uit aceton bestond want water en koffie mengen wel met aceton maar niet met terpentine. Maar de verwondering over de succesvolle proef met goudverf werd er niet minder om. Hoe kon hier stroming ontstaan als de aceton volgens het aanvullend onderzoek in de diepte bleef hangen? Vanaf de divan zijn allerhande geraffineerde verklaringen bedacht tot bij het opruimen van het glaswerk opeens de vreselijke waarheid doordrong. In plaats van aceton was in het aanvullend onderzoek alcohol van 70% gebruikt – Etos giet ze in dezelfde soort flesjes. Alcohol mengt niet met terpentine, maar aceton wel degelijk. De proef met goudverf is niet onbegrijpelijker dan hij lijkt.

    • Karel Knip