Condens binnen een flesje water in de zon

Moderator: physicalattraction

Reageer
Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 5.523

Condens binnen een flesje water in de zon

Als een flesje met een bodempje water in de zon staat vormt zich op de binnenwand condens, maar niet overal. Waar precies, en waarom? Ik had de indruk dat de condens zich vooral aan de zonzijde vormt, niet aan de andere kant, de "nietzonzijde". Daarom heb ik drie flesjes in de zon gezet, CO = coca cola, SR = spa rood, SB = spa blauw, gevuld met een bodempje kraanwater. Na een kwartier heb ik een foto gemaakt, de condensplaatsen genoteerd, en de temperatuur van de condens (en van het bodempje water) gemeten met een infraroodthermometer. De temperaturen zijn in de buurt van 30°C, dan is λmax = 10 μm volgens de wet van Wien. De penetratiediepte daarvan in water is in de orde van 0,1 mm, de temperatuur van het bodempje water en van een oppervlak met condensdruppeltjes is dus goed te meten met de infraroodthermometer.
De gemeten temperatuur van het bodempje water was 35°C, en van de wanden met condens 30°C (welke condensplaats bleek niet uit te maken). De omgevingstemperatuur in de schaduw was 20°C.

condens in 3 flessen a2.jpg
Condens in drie flessen. Links: na 15 min, midden: SR-flesje na 30 min. Symbolen: + condens, 30°C; - geen condens.; * condensloze smalle midden van de SR-fles. Temperatuur van het bodempje water in elke fles 35°C

De flesjes gaven verschillende resultaten. In het colaflesje ontstond geen condens. In het SB-flesje ontstond uiteindelijk overal condens (eerst boven, later ook beneden), zonder verschil tussen zon- en nietzonzijde. In het SR-flesje ontstond de condens eerst boven aan de zonzijde, later ook boven aan de nietzonzijde, en pas later een beetje aan onderste helft.

Voorlopig vraag ik me af of dit te verklaren is met een circulatie van lucht in de fles, en of dat bijvoorbeeld type A of B is.

Gebruikersavatar
Berichten: 339

Re: Condens in een flesje water in de zon

Wat ik verwacht dat er gebeurt is dit:

De zon warmt het water en de lucht in het flesje op. De lucht in het flesje krijgt zo een luchtvochtigheid van zo goed als 100%. Omdat het flesje in de buitenlucht staat, en die lucht kouder is dan de lucht binnen krijg je koeling aan de wanden boven het water. Die iets gekoelde lucht kan minder water bevatten en voilá, condens.

Ik verwacht dat dat stroming B is, omdat de koelere lucht langs de gehele wand naar beneden zakt.

Berichten: 454

Re: Condens in een flesje water in de zon

Ik zie dat er bij twee flessen de stickers er nog op zitten .Lijkt mij dat dat het resultaat beïnvloed. En 15 minuten .Zou ook kunnen dat de flesjes verschillende wanddiktes hebben. Dat scheelt natuurlijk ook in afkoeling met de buitenlucht.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 5.523

Re: Condens in een flesje water in de zon

irArjan schreef: za 26 sep 2020, 19:23 Wat ik verwacht dat er gebeurd is dit: De zon warmt het water en de lucht in het flesje op. De lucht in het flesje krijgt zo een luchtvochtigheid van zo goed als 100%. Omdat het flesje in de buitenlucht staat, en die lucht kouder is dan de lucht binnen krijg je koeling aan de wanden boven het water. Die iets gekoelde lucht kan minder water bevatten en voilá, condens.
Vaak vormt de condens zich vooral aan de zonzijde, dat is dan nog niet verklaard.

In feite stonden de flesjes bij een muur waar de zon ook op scheen. De waarneming wordt misschien beter gekarakteriseerd door "er ontstaat minder/geen condens aan de kant van de warme muur" dan door "condens ontstaat aan de zonzijde". De zon kan het water en de lucht niet direct verwarmen, want water en lucht absorberen nauwelijks zonlicht. De zon verwarmt de muur achter het flesje tot 30-50°C. De 10μm-warmtestraling van de muur wordt wel geabsorbeerd door het water onderin de fles. Maar ook dat verklaart niet waarom er meer condens ontstaat aan de ene zijde, want het water onderin de fles mengt vermoedelijk zo goed dat er geen warme en koude kant is.

Vannacht heb ik het flesje naast een verwarmde zuil gezet. De condens in het flesje vormde zich niet aan de kant van de warme zuil, maar aan de andere kant. Dicht bij de zuil zal de warmtestraling wel sterker zijn dan verder weg, condensdruppels op de nabije wand van de fles worden daardoor warmer dan de druppels op de verre wand. De watervoorraad onderin de fles bevindt zich tussen die twee afstanden in en ook de temperatuur zit tussen die twee temperaturen in. De luchtvochtigheid in de fles raakt in evenwicht met de watervoorraad onderin. Druppels op de verre wand zijn te koud voor dat evenwicht, en druppels op de nabije wand te warm.

nachtfles.jpg
nachtfles.jpg (33.91 KiB) 2436 keer bekeken

Deze waarnemingen maken nog niet duidelijk of er in de fles sprake is van luchtcirculatie type A of B. Misschien is er trouwens geen permanente circulatie in de fles, maar gaat het om incidentele thermiekbellen. Zou er een 'dimensieloos getal' zijn waarmee je dat kunt inschatten?

Gebruikersavatar
Berichten: 339

Re: Condens in een flesje water in de zon

Op zich klopt dit aardig met mijn gedachtegang volgens mij. De kant van de fles die niet aan de kant van de warme zuil staat wordt meer gekoeld en heeft condens, de andere kant die warm blijft heeft geen condens. Het gaat er vooral om dat er dus een iets kouder oppervlak is waarop de condens kan ontstaan. Hoeft niet veel kouder te zijn omdat de luchtvochtigheid in het flesje nagenoeg 100% zal zijn.

Waarom de kant die direct in de zon staat eerder zou condenseren weet ik niet, zou ik niet zo verwachten (en is ook niet zo in je foto van je eerste post ;)). Is dat ook zo als de fles zich niet in de buurt van een warme muur oid bevindt?

Het dimensieloze getal dat iets zegt over natuurlijke convectie is het Rayleigh getal:
https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_number

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 5.523

Re: Condens in een flesje water in de zon

irArjan schreef: zo 27 sep 2020, 18:01 Waarom de kant die direct in de zon staat eerder zou condenseren weet ik niet, zou ik niet zo verwachten (en is ook niet zo in je foto van je eerste post ;)). Is dat ook zo als de fles zich niet in de buurt van een warme muur oid bevindt?
Met een spiegel erachter ontstaat er inderdaad geen condensverschil tussen de zonzijde en nietzonzijde.

Het dimensieloze getal dat iets zegt over natuurlijke convectie is het Rayleigh getal:
https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_number
Hmm, dat hangt dus niet af van de diameter van de fles, maar wel van de hoogte van de luchtkolom in de fles. Het gaat daarnaast om de stroperigheid. Als de luchtkolom heel stroperig is dan verhindert dat luchtcirculatie en thermiekbellen. Ik kan wel raden dat de 20 cm hoge luchtkolom in de fles niet zo stroperig is.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 5.523

Re: Condens in een flesje water in de zon

De zon scheen vanmorgen weer eventjes. Ik heb gezocht naar een manier om de omstandigheden te veranderen. De zonzijde van de fles heb ik met een windscherm beschermd tegen afkoeling. Het windscherm bestond uit een grotere fles, die verticaal half doorgesneden is. Maar dat blijkt geen verschil te maken.
De muur achter de nietzonzijde heb ik afgekoeld door er een natte theedoek voor te hangen. Dat heeft wel effect, dan ontstaat er binnen de fles aan alle zijden condens, ook aan de nietzonzijde. Het gaat dus toch om het warmtestralingscontact met de muur achter de fles.

fles2.jpg

De condensvrije gordel in het midden is een eigenaardigheid van dit ene flesje, andere flesjes hebben dat niet. Als je dit flesje horizontaal legt met een plas warm water erin ontstaat er in korte tijd overal condens, behalve daar in het midden en op de bodem. Blijkbaar iets met het wandoppervlak, onafhankelijk van de luchtstroomrichting in de fles:
liggende fles met condensvrije gordel.jpg

De eenzijdige condensvorming ontstaat niet alleen in de zon, maar ook als je een fles een nacht buiten zet, naast een muur. De wand aan muurzijde blijft condensvrij. Dat komt weer door warmtestralingscontact met de muur:
muur.jpg
Fles die een nacht buiten stond naast een muur. Muurzijde rechts.


De eenzijdige condensvorming kan ook binnenshuis ontstaan, als je een fles een nacht bij een buitenmuur zet die wat kouder is dan de kamer. De condens ontstaat op het deel van de flessenwand dat het dichtste bij de koude muur is. Ook als die zijde tegen tocht beschermd is door een verticaal half doorgesneden grotere fles, de afkoeling gebeurt dus door stralingscontact met de koude muur.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 5.523

Re: Condens binnen een flesje water in de zon

Doordat Karel Knip eergisteren in zijn Alledaagse Wetenschapscolumn (NRC) het onderwerp van condens in flesjes onderzocht bedacht ik nog een variant: kun je op een simpele manier bepalen of de warme wand condensplekken op het flesje doet verdampen via warmtestraling of warmtestroming (stroming van lucht die van de warme muur naar het flesje stroomt)? Daarom heb ik het gesloten kleine flesje water in een van boven afgeknipte grote fles gezet. Deze combinatie vormt een dubbelwandig vat dat stroming van lucht langs de kleine fles verhindert. De dubbele wand lijkt uiteindelijk niet veel uit te maken, wat er op wijst dat warmtestraling belangrijker is dan warmtestroming.

fles3.jpg

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 9.895

Re: Condens binnen een flesje water in de zon

Even heel grof:
De warmtegeleidingscoëfficiënt van lucht is 0,024 W/mK.
Zonder convectie zou je, bij een afstand van 1 cm en een temperatuurverschil van 1 K, een warmtestroom van 2,4 W/m2 krijgen.

Bij zwarte stralers (hoe 'zwart' is die kunststof voor IR?) op een temperatuur van 293 K en een verschil van 1 K zou je een warmtestroom van σ(2944-2934)=5,7 W/m2 krijgen.

Gebruikersavatar
Moderator
Berichten: 5.523

Re: Condens binnen een flesje water in de zon

Xilvo schreef: di 14 dec 2021, 09:55 Bij zwarte stralers (hoe 'zwart' is die kunststof voor IR?)
Als experiment heb ik met een infraroodthermometer de temperatuur van een hete strijkbout gemeten. Rechtstreeks kijkend geeft hij 50°C aan als temperatuur, maar kijkend door een voor de sensor geplaatste lege PET fles, als kijkvenster, wordt het 20°C (kamertemperatuur). Dat betekent dat de PET-fles de 10μm-warmtestraling tegenhoudt en absorbeert. De PET fles is dus visueel doorzichtig, maar "thermisch zwart" (met andere woorden: zoals broeikasgas in de atmosfeer).

Een vergelijkbaar experiment: de infraroodthermometer meet dat de temperatuur in een geopende koelkast 5°C is, maar kijkend door een PET-fles van kamertemperatuur geeft hij 20°C aan.

Een meer zintuiglijke manier om te ervaren dat PET thermisch zwart is, is een lege PET fles gedurende 10 seconden voor een openstaande hete oven te houden (200°C, λmax = 6 μm). Meteen daarna kun je met je hand aan de buitenkant van de fles voelen dat de zijde die naar de oven was gericht sterk opgewarmd is, en de andere zijde niet.

Het besef dat PET de warmtestraling absorbeert verklaart eindelijk waarom een warme muur alleen van de nabije zijde van het PET-flesje condens laat verdampen, namelijk door opwarmen van die zijde, terwijl de verre zijde koud blijft.

De transmissiespectra van andere visueel doorzichtige plasticsoorten en van glas laten zien dat die materialen ook thermisch zwart zijn. Inderdaad zie je bij een glazen fles soms dezelfde eenzijdige condensvorming als bij een PET fles.

PET transmissie.png
Transmissiespectrum van PET. Doorzichtig voor λ<1,5μm, zwart voor λ>3μm. Bron: Hitachi en Bailleul et al.


glas transmissie.png
Transmissiespectrum van glas ("soda lime glass"). Doorzichtig voor λ<1,5μm, zwart voor λ>3μm. Bron: Encole

Reageer