Wat is een goede koeler (volgens de natuurkunde)?

Onze interne alles-wetenden beantwoorden vragen over uw interactie met technologie.

Vraag: Wat is de beste koeler, vanuit natuurkundig oogpunt?

A: Eerst een geheugensteuntje uit de natuurkunde op de middelbare school: warmte, op atomair niveau, is de beweging van moleculen. Hoe sneller ze bewegen, hoe heter de vaste stof/vloeistof/het gas is. In een heet gas betekent dit dat moleculen rondvliegen en tegen de wanden weerkaatsen. In een hete vaste stof trillen moleculen waar ze zitten, en geven hun trillingen door aan langzamer trillende buren via de verende moleculaire bindingen die de vaste stof bij elkaar houden.

Koud is de afwezigheid van warmte, net zoals duisternis de afwezigheid van licht is. Het doel van een koeler is dan ook niet zozeer om de “koude” binnen te houden, maar om de warmte buiten te houden. Hoe goed een koeler dit kan doen, hangt af van drie belangrijke factoren: isolatie, lucht en ijs.

Wat is dan de beste koeler? Bekijk het eens vanuit thermodynamisch oogpunt:

Een met dikke, schuimisolatie met gesloten cellen

In het algemeen gebruiken alle commerciële koelers dezelfde methode van isolatie: schuim tussen de binnen- en buitenwand. Schuim is om twee redenen een goede isolator. Ten eerste is het gevuld met gasbellen; gassen geleiden warmte minder goed dan vloeistoffen of vaste stoffen, en door het gas op te sluiten in kleine belletjes wordt voorkomen dat het gas de warmte effectief overdraagt via convectie. Ten tweede zijn de polymeermoleculen waaruit de wanden van de bellen bestaan tamelijk los gebonden; dit beperkt de snelheid waarmee warmte van het ene molecuul op het andere kan worden overgedragen. (Moleculen in sterk warmtegeleidende materialen zoals metaal bevatten vrij stromende elektronen, die gemakkelijker warmte overdragen dan hun minder beweeglijke tegenhangers.)

Maar niet alle schuimen zijn gelijk geschapen! Je hebt je gesloten-cel schuim en je open-cel schuim. Geslotencellig schuim is dicht en stijf, en de meeste gasbellen raken elkaar niet. Opencellig schuim is flexibeler en lichter van gewicht, maar omdat de meeste gasbellen met elkaar in contact staan, kan de warmte er gemakkelijker doorheen stromen en is het dus minder isolerend. De twee soorten schuim houden ook verschillende soorten gas vast: Open-cel bubbels zijn vaak gevuld met waterdamp, terwijl gesloten-cel schuim gevuld is met een verscheidenheid van andere chemicaliën met betere isolerende eigenschappen, zoals pentaan. (Decennia lang waren de meeste isolerende schuimproducten met gesloten cellen gevuld met CFK’s; deze werden geleidelijk uit de markt genomen nadat ontdekt werd dat ze de ozonlaag aantastten. De meeste huidige schuimgassen zijn niet zo goed voor het beschermen van koud vlees, maar ze zijn aanzienlijk beter voor het beschermen van de atmosfeer!)

Open-cel is het soort schuim dat wordt gebruikt in lunchtrommels met zachte zijkanten en dergelijke, terwijl koelboxen met harde zijkanten over het algemeen schuim met gesloten cellen in hun wanden bevatten. Vanwege hun verschil in isolerend vermogen bent u bijna altijd beter af met een koelbox met harde dan met zachte zijkanten, zolang draagbaarheid geen beperkende factor is.

Ten slotte, en het meest intuïtief, zal de effectiviteit van uw koelbox afhangen van de dikte van het schuim dat wordt gebruikt om hem te isoleren. Sommige goedkopere koelers hebben geen isolatie in hun deksels, of hebben dan dunnere isolatie aan de onderkant van de koeler; beide factoren zullen de effectiviteit van uw koeler verminderen. Bovendien, als het deksel van uw koeler kopshouders heeft, overweeg dan om een stop van isolerend materiaal zoals piepschuim op de bodem van hen te zetten. (Of als u ze niet gebruikt, overweeg ze op te vullen met sprayschuim of traagschuim!)

Een die vol en ongeopend blijft

Vergeleken met vaste stoffen en vloeistoffen, is lucht een slechte geleider van warmte. Maar onderschat het niet! Telkens wanneer de inhoud van je koelbox in contact komt met de warmere buitenlucht, komen die sneller bewegende moleculen binnen en prikken ze je koude moleculen in de ribben, waardoor ze sneller bewegen en je bier een beetje warmer wordt. Om deze reden is het beter dat uw koelbox niet vaak wordt geopend. Overweeg aparte koelboxen voor eten en drinken.

Een goede koelbox is bovendien luchtdicht. Controleer de afdichting rond het deksel van uw koelbox en zorg ervoor dat deze zo min mogelijk lucht doorlaat. Sommige koelers, zoals YETI en Orca, worden gegoten uit één stuk plastic zonder naden, in een proces dat roto-molding wordt genoemd. Het is ongelooflijk effectief in het houden van lucht buiten, maar het kan ook ongelooflijk duur zijn.

Als het mogelijk is om uw koeler zo te vullen dat er geen luchtbellen zijn, doe dat dan – bij voorkeur met ijs. Want terwijl een mengsel van ijs en gesmolten water in uw koelbox altijd 32 graden Fahrenheit zal zijn, zal de lucht in uw koelbox warmer zijn dan dat. Het vullen van die luchtzakken met ijs rekent af met dat probleem.

Een met een juiste hoeveelheid (en vorm) ijs

De algemeen aanvaarde verhouding van ijs tot inhoud is ongeveer 2:1. (De ideale verhouding heeft zoveel factoren, waaronder de soortelijke warmte van je inhoud, dat het niet de moeite waard is om die voor elke kampeertocht te berekenen). De smeltsnelheid van ijs houdt rechtstreeks verband met het oppervlak: Een blok ijs smelt veel langzamer dan eenzelfde hoeveelheid ijs in kleine blokjes. Overweeg de aanschaf van blokijs, of laat water bevriezen in een plastic gallon kan om je eigen “blok” te maken. (Na de publicatie van dit verhaal schreef natuurkundeleraar Fred Bucheit ons dat het smelten van het ijs eigenlijk wenselijk is, omdat het ijs op die manier de warmte absorbeert die anders je bier zou verwarmen. Als je je inhoud maximaal wilt koelen, zijn blokjes die snel smelten je vriend; als je een lange reis maakt waarbij je inhoud niet hoeft te bevriezen, gaat blokijs veel langer mee.)

Als het ijs smelt, zal het waterniveau in je koelbox stijgen. Laat het niet leeglopen! Het isoleert nog steeds de inhoud van uw koelbox. (Water geleidt warmte weliswaar beter dan lucht, maar zolang het water kouder is dan de lucht, is het de betere keuze om je bier in te bewaren.)

Snel bewegende moleculen zijn de vijand van koude dingen, en deze moleculen op afstand houden is de dappere ambitie van alle koelers – de beste maken optimaal gebruik van de wetten van de fysica om hun kracht te maximaliseren.

Meredith Fore houdt van haar harde cider ijskoud en schrijft voor WIRED over natuurkunde als een AAAS Mass Media Fellow.

Updated 7-11-19, 9 pm EDT, om te verduidelijken hoe smeltend ijs daadwerkelijk kan helpen uw drankjes koud te houden.

Wat kunnen we u vertellen? Nee, echt, wat wil je dat een van onze interne experts je vertelt? Stel uw vraag in de commentaren of e-mail de Know-It-Alls.