Hoofdstuk 7
Warmte
§1 Temperatuur §2 Faseovergangen §3 Warmtetransport
§1 Temperatuur
In dit hoofdstuk gaan we fenomenen in de wereld om ons heen verklaren aan de hand van de beweging van de kleine deeltjes waaruit de wereld bestaat. In deze eerste paragraaf gaan we de temperatuur op deze manier bestuderen.
De wereld bestaat uit kleine deeltjes die we atomen noemen. Veel fenomenen in de wereld om ons heen zijn te verklaren aan de hand van de beweging van deze deeltjes. Neem bijvoorbeeld de temperatuur. Zoals je weet meten we de temperatuur met een thermometer. De bekendste eenheid voor de temperatuur is de graden Celsius (°C). Een veelgebruikte thermometer bestaat uit een dun buisje met daarin gekleurde alcohol (zie de onderstaande afbeelding). Als de alcohol warmer wordt, dan zet het uit, waardoor de thermometer een hogere waarde aangeeft. Als de alcohol afkoelt, dan krimpt het weer, waardoor het een lagere waarde aangeeft.
Het maken van een correcte schaal op een thermometer wordt het ijken van een thermometer genoemd. Dit doen we als volgt. De waarde die de thermometer aangeeft in ijswater noemen we 0 °C. De waarde die de thermometer aangeeft in kokend water noemen we 100 °C (zie de rechter afbeelding). De afstand tussen deze twee waarden wordt dan in honderd gelijke stapjes van 1 °C verdeeld.
Voorbeeld
|
|
Vraag: In de onderstaande linker afbeelding zien we een ongeijkte thermometer. De onderste stippellijn werd gezet toen de thermometer in ijswater gelegd werd. De bovenste stippellijn werd gezet toen de thermometer in kokend water gelegd werd. Noteer de schaalverdeling op de thermometer in stapjes van 10 oC en bepaal daarna de temperatuur die de thermometer aangeeft. Antwoord: De onderste stippellijn geeft de temperatuur in ijswater. Dit heeft een temperatuur van 0 oC. De bovenste stippellijn geeft de temperatuur in kokend water. Dit heeft een temperatuur van 100 oC. In de tweede onderstaande afbeelding is dit toegevoegd. Meet nu de afstand tussen de stippellijnen. In dit geval vinden we 6,5 cm. Als we deze afstand door tien delen, dan vinden we de afstand behorende bij een stapje van 10 oC. In dit geval vinden we: AANPASSEN!!!6,5 / 10 = 0,65 cm In de derde afbeelding zijn de stapjes toegevoegd. We kunnen hiermee ook de thermometer aflezen. We vinden in dit geval 69 oC.
|
Maar wat is temperatuur eigenlijk? Temperatuur wordt veroorzaakt door de beweging van de deeltjes waaruit stoffen bestaan. Hoe sneller de deeltjes bewegen, hoe hoger de temperatuur van het materiaal. Andersom geldt ook dat hoe langzamer de deeltjes bewegen, hoe lager de temperatuur wordt. Als we een voorwerp blijven afkoelen, dan komt er een moment dat alle atomen stil staan. Dit gebeurt bij -273 °C. Op dat moment is de allerlaagste temperatuur bereikt. We noemen deze temperatuur het absolute nulpunt. Het is niet mogelijk dat een materiaal nog kouder wordt, want de atomen staan bij deze temperatuur immers al helemaal stil.
|
EXPERIMENT
| ||
|
Sinds de ontdekking van het absolute nulpunt wordt ook vaak een andere eenheid voor de temperatuur gebruikt: de kelvin (K). Bij deze schaal is ervoor gekozen om de temperatuur van het absolute nulpunt 0 kelvin te noemen. Er geldt dus:
| $$ 0 \text{ K} = -273\,^{\circ}\text{C} $$ |
We rekenen kelvin en graden Celsius als volgt in elkaar om:
|
|
Als voorbeeld zien we hieronder het smeltpunt van water weergegeven. Water smelt bij 0 oC. Dit komt overeen met 0 oC + 273 = 273 K. Het kookpunt van water is 100 oC. Dit komt overeen met 100 oC + 273 = 373 K.
We kunnen nu ook meteen begrijpen waarom stoffen uitzetten als we de temperatuur verhogen en krimpen als we de temperatuur verlagen. Als we de temperatuur van bijvoorbeeld een stuk metaal verhogen, dan gaan de deeltjes in dit metaal sneller trillen. Door dit trillen duwt elk deeltje de omliggende deeltjes een beetje weg. Het materiaal neemt op deze manier meer ruimte in (zie de onderstaande animatie).
In veel praktische situaties moeten we rekening houden met deze uitzetting. Bij veel bruggen zien we bijvoorbeeld een "ritssluiting" (zie de linker onderstaande afbeelding). Dit zorgt ervoor dat de brug ruimte heeft om een beetje uit te zetten op een warme dag. In de rechter afbeelding zien we wat er gebeurt als er niet goed wordt nagedacht over de uitzetting van materialen. De rails in de afbeelding zijn helemaal kromgetrokken door het uitzetten.
(Afbeelding: Matt H. Wade; CC BY-SA 3.0 / PD)
Bij gassen kan je krimpen en uitzetten nog duidelijker zien. Als je een ballon met daarin lucht koud maakt door het bijvoorbeeld onder te dompelen in vloeibare stikstof, dan zie je de ballon duidelijk krimpen (zie het onderstaande filmpje en de onderstaande afbeeldingen). Als je de ballon daarna weer opwarmt, dan zet de ballon weer uit.
|
EXPERIMENT
|
|
In het onderstaande filmpjes zien we dit effect in de praktijk: 
DEMO-VIDEO:
Uitzetting
DEMO-VIDEO:
Krimpen met vloeibare stikstof
|
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§2 Faseovergangen
In deze paragraaf gaan we de drie fasen en de faseovergangen begrijpen aan de hand van de beweging van deeltjes.
Stoffen bevinden zich meestal in één van de volgende drie fasen:
- gas
- vloeibaar
- vast
We kennen allemaal de drie fasen van water. Vast water noemen we ijs, vloeibaar water noemen we gewoon "water" en water in gasvorm noemen we waterdamp.
Een stof is vast als de temperatuur onder het smeltpunt ligt. Een stof is vloeibaar als de temperatuur tussen het smeltpunt en het kookpunt ligt en een stof is gasvormig als de temperatuur boven het kookpunt ligt (zie de onderstaande afbeelding).
Hieronder zijn de smelt- en de kookpunten van een aantal stoffen weergegeven. In BINAS vind je een uitgebreidere tabel. Zoals je ziet zijn de temperaturen gegeven in kelvin. In de vorige paragraaf heb je geleerd dit om te rekenen naar graden Celsius:
|
Stof |
Smeltpunt (K) |
Kookpunt (K) |
|
Alcohol (ethanol) |
159 |
351 |
|
Benzine |
123 |
- |
|
Ether |
157 |
308 |
|
Kwik |
234 |
630 |
|
Melk |
272,5 |
373 |
|
Olijfolie |
267 |
570 |
|
Petroleum |
203 |
423 |
|
Spiritus |
183 |
351 |
|
Water |
273 |
373 |
|
Zeewater |
270 |
- |
|
Zwavelzuur |
284 |
603 |
Ook de drie fasen kunnen we met behulp van deeltjes begrijpen. Hieronder zien we de drie fasen op atomair niveau afgebeeld. In de onderstaande linker afbeelding is een vaste stof op atomair niveau afgebeeld. De atomen in een vaste stof zitten op een vaste plaats en kunnen op deze plaats alleen een beetje heen en weer trillen. Alleen bij 0 K staan de deeltjes helemaal stil.
Bij een vloeistof zitten de atomen nog steeds tegen elkaar aan, maar hebben ze geen vaste plek meer. Ze kunnen nu vrij langs elkaar heen bewegen (zie de middelste afbeelding). Dit verklaart de beweeglijkheid van vloeistoffen. In een gas zijn de atomen helemaal los van elkaar en vliegen kriskras door elkaar heen (zie de rechter afbeelding). Een kleurloos gas kan je niet zien. Een voorbeeld hiervan is lucht. De individuele deeltjes zijn immers te klein om met het oog waar te nemen.
|
EXPERIMENT
| ||
|
Als een stof van één fase overgaat naar een andere, dan spreken we van een faseovergang. Hieronder zien we links het smelten van ijs. Dit is een faseovergang van vast naar vloeibaar. Zelfs een voorwerp zo hard als staal wordt bij hogere temperaturen een vloeistof (zie de middelste afbeelding). In de rechter afbeelding "zien" we water verdampen. Dit is een overgang van vloeibaar naar gas. Onthoud op dat de nevel die boven het kokende water ontstaat, bestaat uit kleine druppels in vloeibare fase. Pas als deze druppels lijken te verdwijnen "in het niets", veranderen ze in een gas. Waterdamp kunnen we immers niet met het oog zien.
(Afbeelding: Pixabay; PD / P sakthy; CC BY-SA 3.0 / Pixabay; PD-mod)
Er bestaan zes verschillende faseovergangen. De namen van deze overgangen kan je vinden in de onderstaande afbeelding:
Als een vloeistof in een vaste stof verandert, dan noemen we dit stollen (het stollen van water noemen we ook wel bevriezen). Als een vaste stof in een vloeistof verandert, dan noemen we dit smelten. Water stolt als we het afkoelen onder de 0 °C en smelt als we het verwarmen boven de 0 °C. We noemen 0 °C daarom het smeltpunt of het stolpunt van water. Verschillende stoffen hebben een verschillend smeltpunt.
Als een vloeistof in een gas verandert, dan noemen we dit verdampen. Als een gas in een vloeistof verandert, dan noemen we dit condenseren (of condensatie). Water verdampt als we het verwarmen boven de 100 °C en condenseert als we het afkoelen onder de 100 °C. We noemen 100 °C daarom het kookpunt van water. Verschillende stoffen hebben een verschillend kookpunt. Condensatie treedt bijvoorbeeld op in de linker onderstaande afbeelding. Waterdamp in de lucht komt in aanraking met de koude fles en op deze manier ontstaan waterdruppeltjes aan de buitenkant van de fles. Ook dauw en mist ontstaan door condensatie (zie de twee rechter afbeeldingen).
(Afbeelding: Acdx; CC BY-SA 3.0 / Taro Taylor; CC BY 2.0 / Hillebrand Steve; PD)
Als een gas in een vaste stof verandert, dan noemen we dit rijpen. Als een vaste stof in een gas verandert, dan noemen we dit sublimeren. Als het in de winter vriest, dan kan de waterdamp uit de lucht direct bevriezen. Bij het rijpen van water ontstaan kleine ijskristalletjes (zie de onderstaande afbeeldingen). De ijskristallen in de vrieskist zijn ook door rijpen ontstaan. Sublimeren komt minder vaak voor. Tijdens droge winterdagen zien we soms sneeuw verdwijnen, terwijl het de hele dag heeft gevroren. Sneeuw is in dat geval gesublimeerd tot waterdamp.
(Afbeelding: Robert Reisman; CC BY 3.0 / Rubelson; CC BY-SA 4.0)
Ook faseovergangen kunnen we met behulp van deeltjes beschrijven. Als we de vaste stof verwarmen, dan gaan de deeltjes steeds harder trillen. Als het smeltpunt bereikt is, dan trillen de deeltjes zo hard dat ze niet meer op hun vaste plek kunnen blijven zitten. Hoewel de deeltjes nog steeds dicht tegen elkaar aan liggen, beginnen ze nu langs elkaar te bewegen. Als dit gebeurt, is het materiaal aan het smelten en ontstaat er een vloeistof. Als we de stof nog verder verwarmen, dan bereiken we op een gegeven moment het kookpunt. Bij het kookpunt bewegen de deeltjes zo snel dat ze ontsnappen uit de vloeistof. Als dit gebeurt, is het materiaal aan het verdampen en ontstaat er een gas.
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
§3 Warmtetransport
In deze paragraaf gaan we het hebben over het verschil tussen warmte en temperatuur en gaan we drie manieren bestuderen waarop warmte kan stromen van de ene plek naar de andere.
Als je een kruik vult met heet water en deze tegen je lichaam houdt, dan wordt je lichaam warmer en de kruik langzaam kouder (zie de linker onderstaande afbeelding). En als je een ice pack tegen je lichaam houdt, dan wordt je lichaam kouder en de ice pack juist warmer (zie de rechter afbeelding). In beide gevallen zeggen we dat geval er warmte is verplaatst van het warme naar het koude voorwerp
In het dagelijks leven wordt in dit voorbeeld ook wel eens gezegd dat "kou" van het koude naar het warme voorwerp stroomt. In de natuurkunde wordt deze manier van denken echter zo veel mogelijk vermeden. Warmte is namelijk een vorm van energie en deze energie stroomt altijd van warme naar koude voorwerpen. Een zin als "doe het raam dicht, want er komt kou binnen" is natuurkundig gezien dus onhandig. Wat er in werkelijkheid gebeurt is dat er juist warmte naar buiten stroomt.
Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen warmte en temperatuur. De temperatuur meten we met een thermometer en de eenheid hiervan is graden Celsius of kelvin. Warmte is een soort energie en de eenheid hiervan is de joule. Er geldt dus:
|
Temperatuur (T) |
kelvin (K) |
|
Energie (E) |
joule (J) |
|
Warmte (Q) |
joule (J) |
Het stromen van warmte noemen we ook wel warmtetransport. Er bestaan drie soorten warmtetransport:
- Warmtegeleiding
- Warmtestroming
- Straling
We gaan deze drie soorten hieronder uitgebreid bespreken.
Warmtegeleiding:
Warmtegeleiding (ook wel gewoon geleiding genoemd) ontstaat doordat atomen hun warmte doorgeven doordat ze tegen elkaar botsen. Stel dat een stuk metaal op één plek wordt verwarmd. Als gevolg gaan op deze plek de deeltjes sneller trillen. Deze deeltjes botsen dan tegen omringende deeltjes en deze worden als gevolg ook in trilling gebracht. Op deze manier trekt de warmte door het materiaal. We zien dit effect bijvoorbeeld als we een metalen lepel in een pan kokend water plaatsen. De warmte trekt dan door het metaal omhoog (zie de onderstaande afbeelding).
|
EXPERIMENT
| ||
|
Niet alle stoffen geleiden warmte even goed. Een metalen lepel in een pan met kokend water wordt bijvoorbeeld veel sneller warm dan een houten lepel. Metaal wordt daarom een goede geleider genoemd en hout een slechte geleider. Slechte geleiders worden ook wel isolatoren genoemd.
Ook gassen en vloeistoffen zijn isolatoren. Een thermosfles maakt bijvoorbeeld gebruik van de isolerende eigenschap van lucht. De wand van een thermosfles bestaat uit twee laagjes met daartussen lucht (zie de onderstaande afbeelding) en als gevolg stroomt warmte lastig de fles in en lastig de fles uit. Warme dranken blijven hierdoor langer warm en koude dranken langer koud. Hetzelfde principe wordt toegepast bij dubbelglas. Dubbelglas bestaat uit twee glazen met daartussen lucht. Dit zorgt ervoor dat we weinig warmte verliezen via de ramen en als gevolg besteden we minder geld aan het opwarmen van ons huis. Ook via de muren ontsnapt warmte. Om dit te verminderen bestaan muren vaak uit twee delen met daartussen lucht. Dit worden ook wel spouwmuren genoemd.
Warmtestroming:
Hoewel gassen en vloeistoffen geen goede geleiders zijn, kan warmte hierin wel goed worden getransporteerd met behulp van warmtestroming. We kunnen dit effect goed zien in de onderstaande linker afbeelding. Door geleiding zal het water in de buurt van de vlam opwarmen. Dit warme water zet uit en als gevolg wordt de dichtheid van het water kleiner en zal het opstijgen. Hierdoor begint het water rond te stromen.
Ook het verwarmen van een kamer met behulp van een verwarming gebeurt via warmtestroming (zie de onderstaande rechter afbeelding). De verwarming zelf kan met behulp van geleiding alleen de lucht verwarmen die direct in contact staat met de verwarming. Deze lucht wordt hierdoor warmer, krijgt een lagere dichtheid en stijgt op. Als gevolg ontstaat er een warmtestroom in de kamer en wordt de kamer steeds warmer.
|
EXPERIMENT
| ||
|
In sommige gevallen willen de warmtestroming juist beperken. Als een huis in de winter verwarmd wordt, dan wordt de binnenwand van de spouwmuur ook warm. Er ontstaat dan tussen de binnen- en de buitenwand warmtestroming van lucht. Op deze manier komt de warmte van de binnenmuur redelijk gemakkelijk bij de buitenmuur aan en daarna ontsnapt de warmte uit het huis. Dit kan worden voorkomen door isolatiemateriaal tussen de wanden te plaatsen. Een voorbeeld hiervan is purschuim of glaswol(zie de onderstaande afbeelding). In beide stoffen zitten kleine belletjes lucht. De aanwezigheid van lucht beperkt geleiding en doordat de lucht vast zit in het isolatiemateriaal kan het niet stromen.
Straling:
De derde soort warmtetransport wordt straling genoemd. Een ander woord voor straling is licht. Dat straling warmte kan overdragen weten we als we onze handen in de zon houden. Als zonlicht door onze huid wordt geabsorbeerd, wordt onze huid warmer. Hetzelfde effect treedt ook op als je je handen warmt aan een kampvuur of openhaard (zie de linker onderstaande afbeelding). Er is ook straling die we niet met onze ogen kunnen zien. Alle warme objecten, inclusief ons eigen lichaam, zenden bijvoorbeeld infraroodstraling uit. In de rechter afbeelding zien we een foto van warm water dat uit een kraan stroomt, gemaakt met een infraroodcamera. Zoals je ziet geeft warm water infraroodstraling af. Als je je hand naast een hete verwarming plaatst, dan kan je de infraroodstraling ook voelen (boven de verwarming is het nog warmer, maar dat komt voornamelijk door warmtestroming).
(Afbeelding: ... / NASA; PD)
Om verlies via straling tegen te gaan bij het verwarmen van je huis, wordt soms glanzende folie tegen de muur achter een verwarming geplakt. De infraroodstraling die van de verwarming afkomt wordt dan terug de kamer in gereflecteerd.
INSTRUCTIE:
Warmtetransport
|
Leerdoelen:
|
|
|
Opdrachten
|
|
