Kun je hete drank afkoelen door te blazen?

We kunnen dingen doen afkoelen door te blazen. Maar uitgeademde lucht is toch warm? Hoe zit dat?

Het is algemeen bekend dat we ijskoude handen met onze warme adem weer op een draaglijke temperatuur kunnen brengen. Maar lang niet iedereen gelooft dat we hete vloeistoffen kunnen doen afkoelen door erop te blazen. Veel mensen beschouwen het slechts als een ritueel, dat er alleen maar toe dient dat we iets te doen hebben terwijl we wachten tot de vloeistof vanzelf afkoelt.

We weten uit ervaring dat warme lucht niet veel energie bevat. In de sauna kunnen we luchttemperaturen van 90 graden Celsius zonder grote problemen verdragen, terwijl het ondenkbaar is dat we in een bad zouden gaan zitten met water van exact dezelfde temperatuur. Dat komt doordat water een veel grotere warmtecapaciteit heeft dan lucht en warmte veel beter geleidt. Zou dat misschien de reden zijn waarom we intuïtief twijfelen aan het koelende effect van blazen?

Energie in waterdamp
Aan de andere kant kennen we ook allemaal het alledaagse verschijnsel dat, wanneer de rug van de hand vochtig is en we eroverheen blazen (bij voorkeur horizontaal), de hand plotseling afkoelt. En dat ondanks het feit dat onze adem warm is! En als we de hand bevochtigen met parfum of alcohol, hoeven we hem alleen maar een beetje heen en weer te bewegen om de afkoeling te voelen.

Heeft dat misschien met de verdamping te maken? Het is een feit dat alcohol veel sneller verdampt dan water. Dat betekent echter ook dat de alcohol meer energie moet onttrekken aan de omgeving – in dit geval voornamelijk de rug van de hand. Want, zoals we hierboven al constateerden: in de lucht valt niet veel energie te halen, als gevolg van zijn geringe warmtecapaciteit.

Bij een glas hete thee, die geleidelijk verdampt, gebeurt iets soortgelijks als bij de vochtige hand. De opstijgende hete waterdamp voert een relatief groot deel van de energie met zich mee. De damp bevat namelijk niet alleen de thermische energie die eraan is toegevoegd toen het theewater werd verhit tot 100 graden Celsius, maar ook nog de verdampingsenergie die hij heeft opgenomen om te kunnen overgaan van de vloeibare in de gasvormige aggregatietoestand.

Het is gemakkelijk in te zien dat laatstgenoemde vorm van energie een aanzienlijke bijdrage levert. Per slot van rekening blijft de temperatuur van het water, wanneer het eenmaal kookt, constant 100 graden, zodat de aanhoudende energietoevoer van de gaspit of het elektrische kookplaatje alleen nog maar bijdraagt tot de verdamping. En aangezien het veel langer duurt om een bepaalde hoeveelheid water te doen verdampen dan om diezelfde hoeveelheid aan de kook te brengen, moet de verdampingsenergie dus navenant groter zijn.

Dat blijkt ook in de praktijk. Het is bekend dat zelfs een zeer kortstondige aanraking met hete waterdamp tot ernstige brandwonden kan leiden – nog ernstiger dan bij contact met kokend water! Want in het geval van waterdamp geeft het condenserende water niet alleen zijn thermische energie af, maar ook de weer vrijkomende verdampingsenergie. De boven de thee opstijgende waterdamp verdwijnt niet volledig. Een deel ervan condenseert, wanneer het in contact komt met de koude omgevingslucht, meteen weer tot nevelslierten.

Boven de thee vormt zich dus een laag vrijwel verzadigde waterdamp die het tempo van de verdamping sterk reduceert. Als we nu de wasem en de ‘mistflarden’ boven de thee wegblazen, neemt de verdampingssnelheid weer toe – en daardoor koelt ook de thee sneller af.

Blazen helpt dus. Maar in welke mate? Om daar achter te komen heb ik een paar eenvoudige experimenten uitgevoerd die iedereen thuis kan nadoen. Ik vulde twee identieke glazen met dezelfde hoeveelheid kokend water en liet ze in dezelfde omgeving afkoelen. Het enige verschil was dat ik boven een van beide glazen voortdurend de wasem wegblies met een föhn. Vervolgens mat ik met een gevoelige weegschaal hoeveel water er was verdampt. En wat bleek? Na tien minuten had het met de haardroger gekoelde water ruim dertig procent meer massa verloren dan het water in het andere glas. Ook was de temperatuur ongeveer dertig procent meer gedaald.

De rol van lucht
Uit de hoeveelheid water die was verdwenen berekende ik de energie-afname die op grond van alleen de verdamping te verwachten was. Als je de gewichtsvermindering van het water vermenigvuldigt met de hoeveelheid energie die nodig is om een gram water te doen verdampen, krijg je de corresponderende energie-afname. En als we er voor het gemak even vanuit gaan dat die energie onttrokken is aan het hete water, kunnen we zo bepalen hoeveel de temperatuur gedaald moet zijn.

Het bleek echter dat de op deze manier berekende temperatuurdaling in beide gevallen kleiner was dan de daling die daadwerkelijk optrad. Daaruit kunnen we concluderen dat de omgevingslucht toch een meetbaar deel van de energie opneemt – en blijkbaar des te meer naarmate we er door te blazen voor zorgen dat de zo verwarmde lucht voortdurend wordt vervangen door koelere lucht. Blazen bevordert dus niet alleen de verdamping, maar ook het warmtetransport tussen het hete water en de lucht.

Dat verdamping tot afkoeling leidt, kunnen we vaak in het dagelijks leven waarnemen. Wanneer we transpireren, koelt het op de huid verdampende vocht ons lichaam af, en we gebruiken ventilators om dat effect te versterken. Weliswaar verbruiken die apparaten energie, waardoor het iets warmer wordt in de kamer, maar die temperatuurstijging is verwaarloosbaar klein.

En al voor de uitvinding van de koelkast (die overigens ook werkt volgens het principe van afkoeling door verdamping) beschreef de Oostenrijkse schrijver Adalbert Stifter (1805-1868) hoe hij zijn wijn koelde: “Het glas wordt in een bak gezet die met luchtig textiel is bekleed, waarna het textiel wordt bevochtigd met een zeer dunne vloeistof die ether heet en die ik altijd in een klein flesje bij mij draag. Deze vloeistof verdampt razendsnel en produceert daarbij zoveel koude dat de wijn afkoelt en zo koud wordt alsof hij regelrecht uit de kelder komt – sterker nog: alsof ik hem in ijs had gezet.”

‘Alsof’ is eigenlijk nog te zwak uitgedrukt, want met behulp van ether kun je water daadwerkelijk doen bevriezen. Als we een met ether gevulde platte schaal in een plasje water zetten en eroverheen blazen, vriest de schaal aan het water vast.

De achterliggende natuurkundige mechanismen die ertoe leiden dat we soep of thee kunnen afkoelen door te blazen, springen niet direct in het oog. Per slot van rekening is de waterdamp praktisch onzichtbaar, de hoeveelheid water die verdampt is gering en de complexe interacties tussen luchtbewegingen, verdamping en warmtetransport zijn niet zo gemakkelijk te doorgronden. Maar het effect is onloochenbaar.

Dit artikel verscheen eerder bij EOS, en is geschreven door Joachim Schlichting, tot 2011 directeur van het Instituut voor didactiek van de natuurkunde aan de Universiteit van Münster.