Dat, en een beetje hulp van onzer Malkav bracht mij op een idee. Het was namelijk op een frisse lenteavond, enkele dagen geleden, dat ik geconfronteerd werd met een wetenschappelijke uitdaging. Ik kreeg als scheikundige namelijk van Malkav de volgende vraag gepresenteerd:
Wat bevriest het snelst, vlees dat je in een diepvrieszakje vacuüm verpakt, of vlees dat je gewoon losjes in het zakje in de vriezer steekt?
Natuurlijk willen we niet weten wat deze arme ziel bezield heeft om zich dit af te vragen op een lenteavond om 23 uur... Waarschijnlijk was het iets van zijn zombie - jeugdfase dat terug naar boven geborreld was. Wat belangrijker is, als scheikundige loop ik rond met de reputatie van een brede wetenschappelijke (yeah right
) vorming te hebben. En gelijk met die vorming komt dus een mogelijke oplossing van een wetenschappelijk probleem. Gewapend met een gans laboratorium vol gevaarlijk speelgoed, 3 doctorandi die niets beters te doen hadden, en voor mijzelf een zee van tijd (mijn reacties moesten toch allemaal nog 5 uur roeren op 70 °C), vielen we het probleem aan.Denkwerk op voorhand
Geen experiment verloopt jammer genoeg zonder denkwerk op voorhand. Kunnen we de uitkomst van het model voorspellen? Sterker nog, wat bepaalt het warmteverlies van de biefstuk aan de diepvriesomgeving?
Daar geraakten we al snel uit. Warmteoverdracht wordt bepaald door de volgende (voor ons alvast beïnvloedbare) factoren:
- de warmtecapaciteit: een bepaalde maat, die eigen is aan elk materiaal (dus eigenlijk een soort getal, waarmee we allerlei leuke dingen kunnen berekenen). De warmtecapaciteit bepaalt de mate waarin een materiaal warmte geleidt. (*1) Deze is belangrijk enkel en alleen voor het type vlees, en het zakje. We kunnen de invloed van deze materiaalconstante dus ook verwijderen, als we de 2 situaties testen met hetzelfde vlees (in de diepvries wordt dat toch niet slecht), en hetzelfde zakje.
- het contactoppervlak: hoe groter het contact tussen een warm en een koud oppervlak, hoe sneller ze elkaars temperatuur kunnen beïnvloeden. Ook dit is een parameter die we kunnen controleren door 2 maal hetzelfde materiaal te gebruiken, en dezelfde experimentele opstelling.
- de afstand tussen het zakje en het vlees. Jawel, warmte is eigenlijk een straling, en die legt een afstand af, waartussen er vanalles kan gebeuren. Als je zo'n zakje vacuüm trekt, dan plakt het tegen je biefstuk. Doe je dat niet, dan zit er een isolerend luchtlaagje tussen de biefstuk, en het zakje. En dat luchtlaagje kan de boel wel eens erg gaan vertragen. Langs de andere kant is het contactoppervlak door dat luchtlaagje wel een stuk groter, en ook daarmee moeten we rekening houden.
Probleemoplossing
Een eerste uitdaging was de simulatie. Hoe creëer je als het ware een mini biefstuk, die je kan beschouwen als een empirisch model van Malkavs runderbiefstuk (laat ons toch hopen dat hij dat eet, en geen 2voetersvlees)? Een antwoord kwam vanuit mijn middagmaal: een brood en een pak salami(*2). Hup, daar ging mijn middageten, de salami werd onze biefstuk. Toegegeven, iets meer vet, dus minder warmtegeleiding, maar kom, zo'n afwijking noem je in de wetenschap 'exploratie van de parameters', en dan maalt niemand er nog om
.Naast de biefstuk zoeken we nog een zakje. Die zakjes, dat is wat wij in mooie letters LDPE noemen, oftewel low density polyethyleen. We trekken ons daar niets van aan, het GB zakje waar mijn brood inzat, kan daar gerust voor dienen (en is bijna hetzelde materiaal).
Natuurlijk hebben we nog het probleem van de diepvries; hoe maak je namelijk een diepvries waarin je allerlei dingen kan meten? Simpel, ga naar een chemisch labo
. Jammer genoeg was onze diepvries net bezet, en het veiligheidskaartje van de reactie die erin getest(*3) werd vertelde ons dat we daar liever niet in gingen spelen. Zodus, probleem. Het probleem werd snel opgelost door het grote witte vat in onze gang: vloeibare stikstof. Hoera! Onze koelbron was gevonden. Een speciale open thermosfles werd gevuld met 4 l vloeibare stikstof, genoeg om een paar uurtjes mee te spelen. En geloof mij, vloeibare stikstof is goed voor uren speelplezier (*4). Dan rest er ons nog enkel het temperatuursprobleem. Vloeibare stikstof is goed voor een instant cryogene omgeving (*5), zijnde -140°C. Daar steek je geen gewone thermometer in. Gelukkig beschikken we wel over wat digitale meetapparatuur, zijnde mooie nieuwe temperatuurssondes, die per honderste seconde de temperatuur meten tussen -200 en +200 °C. Zodus, die kon er dan ook weer bij. Aansluiting op de laptop leverde ons meteen ook een grafiek waarop duidelijk de temperatuursverandering met het tijdsverloop te zien was. En dat is net wat we nodig hebben: op basisch van deze grafieken kunnen we aantonen in welke situatie het vlees het snelst bevrozen is.
De opstelling:
Het vat (officieel noemen ze zoiets een dewer) werd gevuld met 4 l stikstof. Hierin werd een speciaal daarvoor gemaakte ijzerdraad constructie (*7) (zie tekening) in neergelaten. Deze constructie was zodanig gemaakt dat de salami erop bleef liggen, en we voor de luchtsituatie de plastiek iets verder van de salami kunnen opspannen. In beide proeven werd dan het stikstofniveau aangepast tot de gewenste hoogte. De temperatuur werd gemeten door de sonde aan het andere oppervlak van de salami te plaatsen. Als de temperatuur daar namelijk 0 °C bedraagt, is de ganse worst bevrozen!
(paars = sonde, grijs = ijzerdraad, blauw = plastiek zakje, rood = salami)
Het resultaat!
De meting werd aangevat, en om jullie niet langer in spanning te houden, op deze 2 (versimpelde) grafiekjes het resultaat:
Voor de opstelling met het zakje, en bijgevolg luchtisolatie:
Voor de opstelling in de vacuüm omgeving:
Conclusie:
Hoewel de grafieken erg onwetenschappelijk zijn, maken wij graag de volgende conclusie: de afkoeling tot 0°C gebeurt veel sneller in het vacuüm zakje dan in de andere situatie. Je kan namelijk zien dat de grafiek een stuk steiler is, en dus sneller de grens van 0 °C bereikt.
Mandragon.be raadt dus aan je vlees te koelen in vacuüm verpakkingen
. Vraag beantwoord! (*8)*1 ik ben er mij van bewust dat dit niet de schoolboek definitie is, maar kom, het komt op hetzelfde neer
.*2 iedereen weet dat boterhammetjes smeren iets is waar je wakker voor moet zijn, en vroeger voor moet opstaan. Daar doen we dus niet aan mee.
*3 het was geen lolligerd. Met het oog op toch nog een eventueel middagmaal, en dus de noodzaak tot recupereren van mijn salami, werd deze meetomgeving toch maar genegeerd.
*4 Wisten jullie (daar ging dus toch een deel van mijn salami) dat als je een schelletje in vloeibare stikstof doopt, en het laat vallen, dat dat breekt in duizende stukjes? (*6)
*5 heel koud
*6 dat bracht ons dan ook op het idee om daar een appel in te laten bevriezen, en die 5 m te laten vallen: het resultaat was instant appelmoes. Ik neem er een patent op
.*7 het koste ons bloed, zweet en vooral veel ijzerdraad om zoiets te maken. De invloed van de ijzerdraad negeren we, vermits die ook voor beide proeven hetzelfde was.
*8 wegens het uitvallen van de snoepautomaat in ons koffielokaal, was ik genoodzaakt de salami te recupereren. 't was een verdomd koude boterham...