​Koel je bier sneller af met natuurkunde

Bier en wetenschap zijn mijn favoriete dingen – wat het des te mooier maakt als ik beide kan combineren om de mensheid wat vooruit kan helpen in het leven. Voor al die keren dat je je tijdens de natuurkundeles afvroeg: "WTF, waar heb ik dit later voor nodig?" Nou, fikse tijdbesparing, om maar wat te noemen. Als jij voortaan al je bier namelijk horizontaal in je koelkast zet, koelt het een stuk sneller dan wanneer je het rechtop zet. En dat allemaal dankzij de wetten van de fysica! Ik ga je uitleggen hoe dat precies werkt, zonder al teveel gebruik te maken van termen als 'kinetische energie' en 'entropie'. Het is namelijk weekend, en niemand heeft zin in ontnuchterend jargon.

Men neme twee merkloze blikken bier, eentje die ligt (nummer 1) en eentje die staat (nummer 2). De zwaartekracht is recht naar beneden gericht, want je koelkast staat als het goed is rechtop. Middenin je koelkast is het pak 'm beet vier graden Celsius. Het hele gebeuren zal er in een financieel wat krappere week ongeveer zo uitzien:

Er kunnen in deze situatie twee verschillende soorten koeling plaatsvinden: 'gedwongen convectie' en 'natuurlijke convectie'. Gedwongen convectie vindt plaats als je bijvoorbeeld de damp boven je grootmoeders erwtensoep wegblaast of er doorheen roert met je lepel. De hitte in de snert kan dan sneller worden opgepikt door de buitenlucht om te worden afgevoerd naar een koelere plek elders in de kamer. Bij natuurlijke convectie wordt de hitte ook weggevoerd door de koudere buitenlucht, maar is er geen externe partij present die in de soep roert.

Als we het hebben over goudgele pretcilinders in een koelkast, spreken we van natuurlijke convectie. Okay, een koelkast is bepaald niet iets natuurlijks, maar we hebben het even over het gesloten systeem van het biertje en de lucht eromheen. En ik ga er voor het gemak van uit dat jij, welgerespecteerde lezer, niet in je koelkast gaat zitten om de warme dampen die van je blikken bier afkomen weg te blazen. Het is namelijk weekend en je hebt wel wat beters te doen.

Wat ook belangrijk is om te weten: iets dat in de koelkast wordt gegooid, zal in het begin sneller afkoelen dan wanneer het al dichtbij de temperatuur van de koelkast is. Door het grotere temperatuurverschil, daalt de temperatuur dus sneller.

Laten we merkloos bierblikje nummer 1 eens onder de loep nemen. Het bier koelt niet overal gelijkmatig af: sommige delen in het blik zijn op een bepaald moment koeler dan andere. De bierdruppels die koeler zijn, zullen door een verschil in dichtheid naar beneden zakken en de minder afgekoelde druppels zullen dus naar boven kruipen. Dit gebeurt continu, waardoor er circulaire stroompjes in je blik ontstaan:

Hierdoor is het bier continu in beweging en wordt de hitte een stuk constanter en efficiënter door de omgeving weggetrokken dan wanneer al het bier op dezelfde plek zou blijven hangen. Eigenlijk is het in bierblik 1 Moeder Aarde die door je erwtensoep heenroert, met de zwaartekracht als lepel. In blik 1 is voor een dergelijke dynamiek veel meer ruimte dan in merkloos bierblik nummer 2. In een horizontaal blik is er immers veel meer manoeuvreringsruimte om om de boel continu verticaal te reorganiseren. In merkloos bierblik nummer 2 zakt het koelere bier weliswaar ook naar de bodem, maar een stuk langzamer, waardoor er veel minder van de eerder genoemde circulaire stroompjes ontstaan:

Doordat het bier nauwelijks in beweging is, zal het warmere gedeelte in het midden minder snel afkoelen; het komt immers niet in aanraking met de buitenkant van het blik, waar de warmte netjes wordt afgevoerd. En het bier aan de buitenkant wordt wel gekoeld, maar steeds minder snel, omdat het dus steeds koeler wordt. Dit zorgt er in zijn geheel voor dat merkloos bierblik nummer 2 minder snel koud wordt.

Al het bovenstaande klinkt wel leuk, maar zonder kwantitatieve onderbouwing stelt het natuurlijk bar weinig voor. En je wil natuurlijk wel weten hoeveel tijd je ongeveer gaat besparen met deze #lifehack. Dus dat heb ik even voor je berekend, met een kleine disclaimer: zelfs een simpel blikje bier is vanuit thermodynamisch oogpunt al een supercomplex systeem, dus voor het gemak heb ik de hele handel flink versimpeld. Dan hoef je jezelf niet stuk te bijten op allerlei algebraïsche habbibabbi. Moet je ook niet willen, zo vlak voor het weekend.

De Eerste Wet van de Thermodynamica, ook wel het instapmodelletje van de warmteleer, valt in deze als volgt op te schrijven:

Oftewel, de verandering van de energie in het blik is gelijk aan de warmte die van het bier naar de lucht vloeit. Dit kunnen we met wat vereenvoudigingen her en der herschrijven naar:

Waarin w een coëfficiënt is die de hitte-overdracht aanduidt en O het oppervlakte is waarover hitte wordt afgestaan. Geen zorgen! Alle gekke constanten vallen straks weg als we de vergelijkingen toepassen op beide blikken bier. Die zijn voor beide blikken hetzelfde, op w na!

Als we de tijd voor beide blikken vergelijken, krijgen we namelijk:

Het verschil in tijdsduur van afkoelen van beide blikken bier is dus compleet afhankelijk van deze hitte-overdrachtcoeëfficiënt, die dus weer afhangt van de oriëntatie van het blikje. De exacte formule hiervoor kunnen we opwikipedia'en. Deze is heel lang, met allemaal moeilijke constanten. Maar als we deze in de breuk slingeren vallen al die moeilijke termen weg en houden we over:

Stel je voor, je blik is 3 keer zo lang, als dat het breed is. Als je 'm dan rechtop neerzet in je koelkast, zal hij dus maar liefst 3^(1/4)= 1.32 keer zo lang nodig hebben om af te koelen. Horizontaal neerleggen scheelt dus een dikke 30 procent aan tijd! Als het blik 5 keer langer dan breed is, loopt dit zelfs op tot 50 procent! Aaah… science. Helping you je bier sneller af te koelen since jaar en dag. Maar het geldt natuurlijk ook voor water, melk of frisdrank, dus doe er ook doordeweeks je voordeel mee.

En dit is waarom je altijd moet opletten tijdens je natuurkundeles: kan je later in het leven een hoop tijd schelen, als je bijvoorbeeld minder lang hoeft te wachten totdat je bier koud is. Het is namelijk weekend en daar heb je helemaal geen tijd voor.

Meer bier en wetenschap:

​Bierwiskunde: de formules achter de perfecte schuimlaag

​Bier, tieten en soja: kunnen borsten groeien van bepaalde voedingsmiddelen?

​De natuurkunde verklaart waarom je dranken met een schuimlaag minder snel morst