Dag Jasper,

De uitleg is eigenlijk redelijk simpel: lucht bestaat niet uit bijna stilhangende gasmoleculen. De gasmoleculen in de lucht bewegen met een grote snelheid in het rond, in alle richtingen, soms bijna stilhangend, soms met snelheden tot wel 1300 m/s, en gemiddeld met zo'n 500 m/s (dat is 1800 km/h !!)

een modelletje:

(Francisco Esquembre, Fu-Kwun Hwang, lookang, tina
author EJS: Francisco Esquembre)

 Het lijkt wel een dolgedraaide driedimensionale snookertafel waar de ballen tegelijkertijd als een razende in het rond schieten en daarbij constant tegen elkaar botsen; bij elke botsing veranderen ze weer van snelheid en richting. In zo'n schiettent valt het dus niet mee voor wat zwaardere moleculen om netjes "uit te zakken".

Dat hele spel blijft aan de gang omdat de zon de grond opwarmt, en de grond die energie doorgeeft aan die luchtmoleculen, die daar weer bewegingsenergie van krijgen. Ongelijkmatige opwarming zorgt ook nog eens voor wind, en dat geeft weer extra menging. Al met al zorgt dat ervoor dat je tot tientallen kilometers hoogte in de atmosfeer vrijwel overal dezelfde mengverhouding van de verschillende gassen zult aantreffen. 

Wat hierbij ook wel een beetje een rol speelt is dat onze atmosfeer grotendeels uit stikstofgas en zuurstofgas bestaat, 2 moleculen met groottes en molecuulmassa's die eigenlijk maar heel weinig van elkaar verschillen, zodat ze toch al makkelijk zouden mengen. Die paar andere zwaardere moleculen (minder dan 2% en dan tel ik de lichtere waterdamp mee) krijgen maar al te vaak een duw van de rest in de een of andere richting  en krijgen dus niet eens de kans om netjes "uit te zakken".

Nou kun je natuurlijk een hele grote tank pakken en die helemaal vullen met het zwaardere koolzuurgas. Doe het mangat bovenin de tank open, en wacht. Van wind heb je dus geen last, maar beetje bij beetje worden de koolzuurgasmolculen tóch de tank uitgeknikkerd, na een tijdje heb je bovenin de tank lucht met vij veel koolzuur, middenin koolzuurgas met vrij veel lucht en onderin nog steeds bijna zuiver koolzuurgas met nog maar een beetje lucht. Wacht lang genoeg (dat kan dágen duren) maar de tank zal uiteindelijk gewoon lucht met die standaard 380 ppm koolzuurgas bevatten. Eén groot kansspel.

Duidelijk?

Groet, Jan

Hoi Jan,

 

Bedankt voor je perfecte uitleg.

Groetjes, Jasper. 

Hoi Jan en Jasper, er is nog iets anders aan de hand en dat is het begrip entropie. Dit is een ingewikkeld begrip uit de thermodynamica, maar heel in het kort heeft het (bij dit probleem) iets te maken met de manier waarop deeltjes over de ruimte verdeeld zijn. Spontane processen, zoals het mengen van verschillende gassen, verlopen omdat de verschillende gasmoleculen dan gelijkmatiger over de ruimte verdeeld zijn dan wanneer alle zuurstof naar de grond zakt en alle stikstof in de atmosfeer opstijgt. Dit laatste proces is niet helemaal onmogelijk, maar de kans op spontane ONTmenging is ontzettend klein. Het proces van spontane MENGING gaat in tegen de zwaartekracht en wint het van de zwaartekracht.

Ik weet niet wat dit toevoegt (anders dan verdieping die hier ook tot verwarring kan leiden zonder uitvoerige uitleg) maar entropie is ook domweg een kansspel met waarschijnlijke en zeer onwaarschijnlijke uitkomst. Entropie is de thermodynamische kans bij een temperatuur (dS = dQ/T)

Dan kom ik ook maar met een formuletje: S=klnW, waarin W het aantal realiseringsgraden is (het aantal manieren waarop je deeltjes over de ruimte kunt verdelen). In een gasmengsel is W veel groter als de deeltjes gelijkmatig zijn verdeeld, dan wanneer een gedeelte onderin zit en de andere helft bovenin. Daarom is dit in de vraag van Jasper zeer relevant en Jan heeft verzuimd hier in zijn antwoord op in te gaan.

dag Jeanco,

Ik had  er 11 jaar geleden voor kunnen hebben gekozen om Jasper met het concept entropie te laten kennismaken, of ik kon het aanpakken zoals ik toen deed. En wie weet zijn er nog andere manieren om dit verschijnsel  te benaderen. 

We pretenderen in deze vraagbaak niet om het laatste woord in elk natuurkunde-onderwerp te gaan geven. Bedoeling is hier om middelbare-schoolleerlingen met een ad-hoc-probleem door hun probleem heen te helpen. Gezien de reactie van Jasper leek dat gelukt. 

Groet, Jan

Nee hoor. Je kunt het begrip entropie prima duidelijk maken zonder het woord te noemen. B.v. open maar eens een flesje deo in de klas; wanneer ruikt iedereen het? En zou het kunnen gebeuren dat alle deo op een bepaald moment helemaal samentrekt in één hoekje?
Dit was mijn laatste woord hierover.

>Dit was mijn laatste woord hierover.
De beschrijving van Jan over het tumulteuze gedrag van gasmoleculen geeft kwalitatief weer wat in thermodynamica (Q) en statistische mechanica (W) numeriek meer handen en voeten krijgt. Voor de uitleg aan Jasper was het meer dan genoeg. Voor 1e of meerdere jaars studenten natuurkunde pas het begin. Dus noemen we het verspreidingsgedrag "entropie". So what? Kwalitatief resultaat blijft hetzelfde.

Nee, maar het zou prima kunnen gebeuren dat in een stille gesloten kamer de concentratie deo op vloerniveau significant hoger is dan op plafondniveau.

En iets dergelijks is ook in onze atmosfeer aan de hand met zwaardere moleculen als bijvoorbeeld CO₂:

(http://saber.gats-inc.com/news.php)

Hallo Jan, Jeanco en Theo,

Ik zoek vanwege mijn werk een deskundige op dit gebied, dat zijn jullie alle drie kennelijk. Wil een van jullie contact met me opnemen hiervoor? Mijn e-mail is harrywolters59 apenstaartje yahoo punt nl

Deze site is vooral om vo leerlingen te helpen met natuurkundeproblemen - niet om als onbetaald advies- of ingenieursbureau te fungeren. Daarvoor ontbreekt ons de tijd maar ook de zeer specifieke kennis...

Theo, ik poog slechts om in contact te komen met een deskundige. Niet om de inhoud op deze site te bespreken.

Deskundigen op deze site kennen de algemene situaties (zoals in de schoolboeken als "ideaal" geval wordt gepresenteerd), niet specieke zaken voor een merk gasfles, ventiel e.d. Daarvoor is specieke kennis van de situatie nodig. Die zul je hier niet snel vinden - die gaat ver buiten de dekking van de vraagbaak.

Theo, je vat mijn verzoek weer anders op dan bedoeld. Laat maat zitten. 

dag Harry,

Laat dan eens weten wat jouw "verzoek" precies inhoudt. Privé mailen ga ik overigens sowieso niet, als ik daaraan begin zou ik 48 uur per dag bezig kunnen zijn.

Groet, Jan

Hallo Jan,
In officiële normen over explosiegevaar van brandbare gassen in lucht wordt er vanuit gegaan dat lichte dampen opstijgen en zware dampen uitzakken. Volgens mij klopt dit niet. Ik moet bij bedrijven nagaan of deze zich aan deze normen houden. Daarom zou ik deze normen graag eens willen voorleggen aan een deskundige die niet bij de tot standkoming van deze normen is betrokken maar wel aantoonbaar deskundig is op het gebied van gedrag van gassen en dampen. Ik zocht op internet naar literatuur hierover, maar niet gevonden.

Zonder, gezien de context waarin dit speelt, hierover een laatste woord te willen uitspreken:

Methaan, CH₄ , heeft een beduidend kleinere dichtheid dan lucht. Als ik me dan een gesloten ruimte indenk met daarin op halve hoogte een lekkende aardgasleiding, dan verwacht ik na enige tijd nabij het plafond een beduidend hogere concentratie methaan dan nabij de vloer. 

Uit dat lekje komen wat we zouden kunnen noemen "bellen" methaan, en die stijgen op zoals heliumballonnetjes, of zoals zg "thermiekbellen" uit de meteorologie of de rookgassen uit de schoorsteen van een fabriek. Dat proces zal in die ruimte veel sneller verlopen dan de moleculaire diffusie, zodat je in een windstille ruimte een duidelijke concentratiegradiënt gaat aantreffen die lang (uitgedrukt in termen van uren) kan aanhouden. In een ruimte met bewegende lucht zal die gradiënt overigens snel minder duidelijk worden. Zet bijvoorbeeld een draaiende computer in zo'n ruimte: de warmte van het apparaat zorgt voor een luchtcirculatie (convectie) in de ruimte, en de ventilatoren van het apparaat voegen daar nog beweging en dus menging aan toe. 

Houdt in een bewegingsloze ruimte dat lek na enige tijd op, dan zal in de loop der tijd die gradiënt overigens ook geheel tot bijna geheel verdwijnen, door die diffusie, dat dolgeworden snookertafeleffect dat ik bovenaan in deze topic beschreef. Echt bewegingsloze ruimten zijn trouwens zeldzaam, heel vaak zal er toch wel een temperatuursverschil zijn tussen muren en vloeren, door de ruimte lopende leidingen e.d. en dat helpt mee die gradiënt te verzwakken.

Gaat het om andere brandbare gassen en vooral dampen, dan zal zo'n gradiënt-effect sterker kunnen zijn stomweg omdat de molecuulmassa van bijvoorbeeld hexaan (nog niet eens een echt "zware" damp) 3 x zo groot is als die van stikstof of zuurstof. De diffusie zal dan trager verlopen, zoals ook een voetbalteam sneller een hoop voetballen dan een hoop medicinballen over een voetbalveld zal kunnen verspreiden. Gas uit zo'n lek zal zich dus aanvankelijk over de vloer verspreiden, aanvankelijk sneller dan diffusie het omhoog verspreidt. 

Andersom, zou je een stille ruimte vullen met een homogeen mengsel van bijvoorbeeld 1% een of ander gas in lucht en dan wachten, dan acht ik de kans heel gering zo niet uitgesloten dat je ook na verloop van veel tijd een significante concentratiegradiënt zult aantreffen. In die zin zal methaan niet of nauwelijks opstijgen en zich bij het plafond verzamelen, en is het dus onzin om te spreken van uitzakkende of opstijgende dampen. Uitzakken is sowieso een helaas verkeerd woord, omdat je dat vaak gebruikt bij het ontmengen van emulsies, en ontmengen is iets dat bij gassen, ook als die duidelijk verschillende soortelijke massa's hebben, dus niet significant zal gebeuren. 

Die concentratiegradiënten zijn overigens gevaarlijk, omdat er altijd wel ergens in de ruimte met een lek een laag ontstaat waarin de mengverhouding zich binnen de explosiegrenzen bevindt. In die zin ben je vanuit veiligheidsoogpunt natuurlijk altijd beter blo Jan dan do Jan.

Als je Engels googlet vind je best wel literatuur. Ik vond bijvoorbeeld deze van Fermilab,
http://lss.fnal.gov/archive/2005/conf/fermilab-conf-05-635-ad.pdf
waar men met extreem lichte (He) en extreem zware (SF₆) gassen werkt in gesloten ruimtes (lange tunnels) en waar dus ook wel eens lekken ontstaan, en waarvan men de potentiele gevolgen onderzocht vanuit veiligheidsoogpunt. 

"The tests showed that gases, more readily than expected, diffused through an air column in the direction opposing buoyancy. Test results for helium and sulfur hexafluoride are presented. "

Niks "uitzakken" dus, diffusie tegen alle archimedeseffecten in.

Misschien heel erg verhelderend, en met experimentele gegevens ondersteund, voor jouw probleem. 

Is dit in grote lijnen wat je zocht?

Groet, Jan

Hallo Jan,
Hartelijk bedankt, ik sluit me voor 100% aan bij je duidelijke uitleg en vooral voor de bijgevoegde links. Ik zal de gekoppelde documenten zeker kunnen gebruiken. Mijn beeld kwam al overeen met je uitleg. Daarbij is er m.i. nog een belangrijk aspect waarom zware dampen van brandbare vloeistoffen niet kunnen ‘uitzakken’. Voor zo’n damp geldt namelijk per definitie dat de dampspanning lager is dan de luchtdruk, waardoor een ‘gasbel’ met 100% damp niet kan ontstaan. Die zou immers samengedrukt worden door de hogere luchtdruk, waardoor die damp weer zou condenseren. Bij een lekkage van een gas kunnen dus wel tijdelijke gasbellen ontstaan maar niet uit een vloeistof. Eens?

dat zou ik nergens als argument aanvoeren, ook al omdat juist mengsels gevaarlijk worden.

Verder verandert dit de discussie een klein beetje: juist vlak boven een vloeistofoppervlak (zoals trouwens ook aan het grensvlak van een gasbel) zul je in een stille ruimte al gauw een laagje hebben met daarin een explosief mengsel brandstof/lucht, en dat laagje zal er zijn zolang er vloeistof is. Dat is dan geen gevolg van "uitzakken" maar dat doet er weinig toe: we zouden dan op zijn best een woordenstrijd kunnen gaan voeren over de vraag naar de oorzaak van het bestaan van een hoeveelheid gas met een gevaarlijke mengverhouding.

Maar dat neemt het feit niet weg dat er in elke ruimte met een gaslek, of een plas brandbare vloeistof ergensqua lokaliteit, én ergens in de tijd, lokaties zullen zijn met hoeveelheden lucht met daarin gevaarlijke concentraties brandbare stoffen. Degene die daardoor verongelukt heeft niks aan semantiek.

Wel kan een correct woordbegrip en begrip van het gedrag van gassen en dampen aanleiding geven tot effectieve(re) maatregelen. Zoals dat fermilab-rapport vertelt, het aanbrengen van verticale ventilatieschachten in die tunnels veranderde blijkbaar niks significants aan de verdeling van een heliumontsnapping in die tunnel.

"For example, it is not uncommon to assume that helium spills will quickly collect at the ceiling of a building or enclosure and will efficiently exit at the nearest vertical penetration or vent." 

Nee dus.... En dus zijn de veiligheidsmaatregelen daar nu aangepast.

Groet, Jan

Hallo Jan,

Uiteraard bedoelde ik niet dat er boven een vloeistof geen explosief mengsel zou ontstaan. Immers, juist omdat er geen ‘dampbellen’ met een lagere druk dan de luchtdruk kunnen zijn, zal de damp zich moeten mengen met de lucht wat een explosief mengsel zal opleveren.     Met het Fermilab rapport kan ik nu aantonen hoe dit mengsel zich kan gedragen. 
Nogmaals bedankt.

Groet,
Harry

heb je een link naar een officiële tekst die hierop betrekking heeft?

groet, Jan

Hallo Jan,
Dat is de norm NEN-EN-IEC 60079-10-1:2015 en de Nederlandse afgeleide daarvan de NPR 7910-1. Deze staan niet op de lijst met kosteloos te verkrijgen normen vanwege het auteursrecht. Ik kan dus geen link naar een gratis versie plaatsen, wel naar een betaalde versie, zie https://www.nen.nl/NEN-Shop/Norm/NENENIEC-600791012015-en.htm

Groet Harry

dag Harry,

Tja, jammer, deze site kan zich geen 350 euro veroorloven voor dat soort dingetjes. Maar NEN-normen gaan aanvechten lijkt me geen sinecure. 

Groet, Jan

Hallo Jan,

Dat begrijp ik. Dit soort normen zouden gratis openbaar moeten zijn,  maar helaas is dat nog niet het geval. 

Groet,
Harry