Dansende dichtheden van water en olie

Wekelijks stuit Karel Knip in de alledaagse werkelijkheid op raadsels en onbegrijpelijke verschijnselen.

Deze week: opeens daagt de werking van de lavalamp.

De Galileithermometer: links koud, rechts warm.
De Galileithermometer: links koud, rechts warm. Foto’s Karel Knip

Relatiegeschenk ontvangen! Met hoop op bestendiging van de goede relatie en een vruchtbare samenwerking in de toekomst. ’t Was een Galilean thermometer, zei de piepschuimen doos die er nog van alles in het Chinees aan toevoegde – niet voor inwendig gebruik, niet in de hond houden – maar zonder dat het hielp.

De ‘Galilean thermometer’ of ‘Galileo thermometer’ heet in Nederland (Wikipedia) een Galileithermometer. Wij hier noemen Galileo Galilei Galilei, Galileo heet hij alleen in ’t buitenland. What’s in a name, de thermometer is helemaal niet door Galilei bedacht maar door een – onbekend – lid van de Accademia del Cimento, een groep geleerden en technici in Florence die tussen 1657 en 1667 allerlei wetenschappelijke instrumenten ontwierpen, overigens vaak naar een idee van Galilei. Chemicus Peter Loyson heeft dit beschreven in de Journal of Chemical Education (2012).

Olieachtige geur

De Galileithermometer wordt meestal uitgevoerd als een smalle, hoge cilinder, het voordeel van de hier getoonde lage, compacte uitvoering is dat-ie minder makkelijk om en stuk valt. Er zijn al veel Galileithermometers gebroken. De wegstromende vloeistof verspreidde daarbij steevast een olieachtige geur, waaruit waarnemers afleidden dat het geen alcohol was, hoewel dat toch overigens stug wordt volgehouden. Het is waarschijnlijk kerosine of een ander aardolie-destillaat (zoals petroleum, wasbenzine e.d.).

De voornaamste eis die aan de vloeistof gesteld wordt is dat zijn dichtheid (‘soortelijk gewicht’) bij opwarming (als gevolg van het uitzetten) flink daalt. Alcohol en kerosine doen dat veel beter dan water. De tweede eis is dat de vloeistof snel de temperatuur van de omgeving aanneemt. Dat doet kerosine weer beter dan alcohol, kerosine heeft een mooi lage ‘volumieke warmtecapaciteit’.

De vijf verschillende glazen dobbertjes (floaters) van de meter hebben, inclusief de messing loodjes die eronder hangen, een soortelijk gewicht-over-alles dat gelijk is aan het soortelijk gewicht van de vloeistof bij respectievelijk 18, 20, 22, 24 en 26 graden Celsius. Staat de kerosine op 22 graden dan liggen de zware dobbers van 18 en 20 op de bodem en drijven de lichte van 24 en 26 bovenin. Die van 22 zou à la Archimedes halverwege zweven. Hij geeft de temperatuur aan. Is de kerosine heel koud dan hangen àlle dobbers bovenin, het op-en-neer van de dobbers is dus een beetje contra-intuïtief. Er komt bij dat de dobbertjes door adhesie-effecten soms wat langer dan gewenst aan het vloeistofoppervlak blijven hangen.

Verdamping en omvallen

De Galileithermometer werd rond 1990 herontdekt en wordt inmiddels vooral educatief ingezet. Leerlingen moeten uitleggen wat er gebeurt als je de alcohol (sic) door water vervangt of ze moeten zelf een Galileithermometer bouwen. Je zou ze ook kunnen vragen of de thermometer per se gesloten moet zijn. Dat is niet zo. Het is met het oog op verdamping en omvallen wel praktisch, maar de ongeveer 5 procent variatie in atmosferische druk heeft geen noemenswaardige invloed op de dichtheid van de kerosine, daarvoor is diens compressibiliteit te gering. Zelfs de kerosine zelf heeft niet veel invloed, in een hoge cilinder staat de kerosine bij de cilinderbodem onder druk van, zeg, 40 cm kerosine, maar het effect op de dichtheid is onmeetbaar. Idioot dat de Slowaakse fysicus Marian Kires er in het CEPS Journal (2018) zo’n punt van maakt.

Nu we ons realiseren dat veel organische vloeistoffen zoals petroleum en kerosine wat betreft hun dichtheid gevoeliger zijn voor temperatuurverandering dan water wordt opeens de werking van de lavalamp begrijpelijk. De ‘Lava-lamp’ is een uitvinding van Edward Craven Walker die er in 1964 octrooi op aanvroeg. Het is een glazen, doorzichtige cilinder gevuld met twee niet-mengende, felgekleurde vloeistoffen die door verwarming van de cilinderbodem in beweging raken. De verwarming komt traditioneel van een 40 watt-gloeilamp die dwars door de cilinderbodem schijnt. Het levert een feeëriek effect op dat in de jaren zestig en zeventig onveranderlijk psychedelisch werd genoemd. Met een goeie lavalamp had je geen hasj meer nodig.

Van de twee vloeistoffen in de lamp was er één op waterbasis. De ander was een met was (‘paraffine’) verdikte olie. De dichtheden van de twee vloeistoffen lagen heel dicht bij elkaar, en wel zó dat de dikke olie in warme toestand lichter was dan water en in afgekoelde toestand (dat is: boven in de cilinder) juist weer zwaarder. Onderin wilde de olie naar boven, bovenin weer naar beneden. De carrousel is op YouTube te bekijken.

De cartesische duiker. Illustratie Rik van Schagen

Dubbelgeknakt limonaderietje

Verandering van het soortelijk gewicht-over-alles is ook de verklaring voor de bewegingen van de vermaarde ‘cartesische duiker’, zie de tekening. Een luchthoudende vulpendop (of bijvoorbeeld een dubbelgeknakt limonaderietje) drijft hoog in een gesloten, gevulde Spafles en zakt plotseling naar de bodem als er hard in de fles geknepen wordt. Niet zo vreemd: de druk was gestegen, de luchtbel in de dop verkleinde en het drijfvermogen daalde. In de 18de eeuw kon je daarmee het publiek versteld doen staan. Inmiddels is de voornaamste vraag waarom het proefje, dat hier in Holland al in 1743 het ‘Cartesiaansche duikertje’ heette, in hemelsnaam naar René Descartes is genoemd. Het werd 1648 bedacht en in een mooi boekje beschreven door Raffaello Magiotti, een student van Galilei.