BASIS
BEWEGING
EXPERIMENTEREN
LICHT
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
oefentoets
oefentoets
oefentoets
oefentoets
ELEKTRICITEIT 1
WARMTE
HET WEER
RADIOACTIVITEIT
antwoorden
antwoorden
antwoorden
antwoorden
oefentoets
oefentoets
oefentoets
oefentoets

Hoofdstuk 6
Warmte

§1 Temperatuur
§2 Faseovergangen
§3 Warmte
§3 Warmtetransport
§4 Verwarmen



§1     Temperatuur

In dit hoofdstuk gaan we 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.

Zoals je waarschijnlijk wel weet vertelt de temperatuur ons hoe warm of hoe koud een materiaal is. We meten de temperatuur met een thermometer. 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 temperatuur aangeeft. Als de alcohol afkoelt, dan krimpt het weer, waardoor het een lagere temperatuur aangeeft.

De bekendste eenheid voor de temperatuur is de graden Celsius (°C). Het aanbrengen van een schaalverdeling in graden Celsius wordt ook wel het ijken van een thermometer genoemd. Dit werkt als volgt. Als je een thermometer in ijswater plaatst, dan is de waarde die de thermometer aangeeft gelijk aan 0 °C. Als je de thermometer in kokend water plaatst, dan is de waarde die de thermometer aangeeft gelijk aan 100 °C (zie de onderstaande afbeelding). De afstand tussen deze twee waarden wordt dan in honderd gelijke stapjes van 1 °C verdeeld.

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 deeltjes staan bij deze temperatuur immers al helemaal stil.

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje demonsteren we dit principe door de beweging van inkt in warm en koud water te vergelijken.

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

DEMO-VIDEO:
Temperatuur en beweging van deeltjes

Sinds de ontdekking van het absolute nulpunt gebruiken we ook vaak de eenheid kelvin (K) voor de temperatuur. Het absolute nulpunt is bij deze schaal gelijkgesteld aan 0 K. Er geldt dus:

Als voorbeeld zien we in de onderstaande afbeelding het smeltpunt en het kookpunt van water. Water smelt bij 0 oC. Volgens de bovenstaande regel komt dit 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 geeft de brug ruimte om 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.

Omdat bij het uitzetten van stoffen de deeltjes verder van elkaar komen te zitten, wordt de dichtheid van de stof hierdoor lager. Later in het hoofdstuk gaan we hier toepassingen van zien.

         Demonstratievideo

In het onderstaande filmpjes zien we dit effect in de praktijk:

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

DEMO-VIDEO:
Uitzetting
DEMO-VIDEO:
Krimpen met vloeibare stikstof

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je kelvin en graden Celsius in elkaar kan omrekenen en zorg dat je weet dat 0 K overeenkomt met -273 oC
  • Zorg dat je temperatuur kan verklaren met behulp van de beweging van deeltjes. Weet dat hoe sneller deeltjes bewegen, hoe hoger de temperatuur. De deeltjes staan stil bij 0 K
  • Zorg dat je het uitzetten en krimpen van materialen kan verklaren. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer ruimte de deeltjes innemen. De dichtheid wordt hierdoor lager. De dichtheid wordt hierdoor lager

         Opdrachten
  1. (3p) Noem de SI-eenheden van afstand, massa, volume en temperatuur.
  2. (2p) Leg uit dat de temperatuur niet onder de -273°C kan komen.
  3. (4p) Schrijf de volgende temperaturen om:
    1. 0 K = ... °C
    2. 473 K = ... °C
    3. 0 °C = ... K
    4. 100 °C = ... K
  4. (4p) Schrijf de volgende temperaturen om:
    1. 125 K = ... °C
    2. 730 K = ... °C
    3. 200 °C = ... K
    4. -100 °C = ... K
  5. (2p) Water kookt bij 100 °C en alcohol bij 351 K. Leg met deze gegevens uit wat een hogere temperatuur heeft: kokend water of kokend alcohol?
  6. (1p) Leg uit waarom een vaste stof krimpt als de temperatuur afneemt.
  7. (3p) Als kaarsvet stolt, dan neemt de massa af / neemt de massa toe / blijft de massa gelijk, dan neemt het volume af / neemt het volume toe / blijft het volume gelijk en dan neemt de dichtheid af / neemt de dichtheid toe / blijft de dichtheid gelijk.
  8. (1p) Bij lange bruggen is vaak een "ritssluiting" te zien (zie de afbeelding in de theorie). Waar dient dit voor?
  9. Asfalt wordt bij hoge temperatuur vloeibaar aangebracht op een weg. Tijdens het afkoelen neemt het volume toe / af. Bij het afkoelen van het asfalt neemt de dichtheid toe / af.
  10. Tussen de stukken van een betonnen wegdek zitten rubberen voegen.
    1. (1p) Waarom is dit gedaan?
    2. (1p) Leg uit of de voeg het breedst is in de zomer of in de winter.
  11. (1p) Als je de verwarming aanzet, hoor je vaak krakende geluiden in het huis. Geef hiervoor een verklaring.
  12. (1p) Op een spuitbus staat: "LET OP! Niet blootstellen aan temperaturen boven de 50 graden Celsius". Leg met de theorie uit de paragraaf uit waarom dit niet mag.
  13. (1p) Leg uit wat er gebeurt als je een ballon onderdompelt in (extreem koud) vloeibaar stikstof.
  14. Over een bekerglas wordt met een elastiekje een boterhamzakje strak gespannen.
    1. (1p) Wat gebeurt er met het zakje als we de beker verhitten?
    2. (1p) Wat gebeurt er met het zakje als we de beker in de koelkast zetten?
  15. (1p) Een metalen dop is moeilijk van een glazen pot te draaien. Hoe los je dit probleem op met de theorie uit deze paragraaf?

 

§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:

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).

De smelt- en de kookpunten kan je vinden in BINAS. Hieronder zijn de smelt- en de kookpunten van een aantal stoffen weergegeven. In BINAS kan je een uitgebreidere tabel vinden. 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

373

Olijfolie

-

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.  In de onderstaande linker afbeelding is een vaste stof afgebeeld. De deeltjes zitten hier 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 deeltjes 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 deeltjes 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 kunnen nemen.

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje worden de drie fasen gemodelleerd met kleine balletjes die in trilling worden gebracht. Ook wordt hier gedemonstreert dat je een gas gemakkelijk kan indrukken.

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

DEMO-VIDEO:
Fasen en het deeltjesmodel

Als een stof van één fase overgaat naar een andere, dan spreken we van een faseovergang. Een voorbeeld is smelten. Dit is een faseovergang van vast naar vloeibaar. Hieronder zien we links het smelten van ijs. 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. Let er hier op dat de nevel die boven het kokende water te zien is, bestaat uit kleine druppels in vloeibare fase. Pas als deze druppels lijken te verdwijnen "in het niets", veranderen ze in een gas (genaamd waterdamp). Dit gas kunnen we niet 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.

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). Condensatie treedt bijvoorbeeld op in de linker onderstaande afbeelding. Waterdamp in de lucht komt in aanraking met de koude fles en condenseert tot 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 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.


(Afbeelding: Robert Reisman; CC BY 3.0 / Rubelson; CC BY-SA 4.0)

Als een vaste stof in een gas verandert, dan noemen we dit sublimeren. 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.

Ook faseovergangen kunnen we met behulp van deeltjes beschrijven. Linksonder is bijvoorbeeld smelten afgebeeld. Als we een vaste stof genoeg verwarmen, dan gaan de deeltjes op een gegeven moment zo hard trillen dat ze los komen van hun vaste plek. Er ontstaat dan een vloeistof. Rechtsonder zien we verdampen. Hier gaan de deeltjes van een vloeistof zo hard bewegen dat ze ontsnappen uit de vloeistof. Er ontstaat dan een gas.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je met de smelt- en kookpunten in BINAS kan achterhalen in welke fase een stof zich bevindt
  • Zorg dat je de zes faseovergangen kent en dat je hier voorbeelden van kan noemen
  • Zorg dat je de drie fasen kan verklaren met behulp van de deeltjes waaruit stoffen bestaan.
  • Zorg dat je weet dat deeltjes in gasvorm niet zichtbaar zijn (behalve als het gas een kleur heeft) en dat de zichtbare nevel boven kokend water bestaat uit kleine vloeibare druppeltjes.

         Opdrachten
  1. (3p) Zoek het smeltpunt en kookpunt op van water, kwik en lucht.
  2. (2p) Paraffine smelt bij een temperatuur van ________ K. Dit is een temperatuur van ________ oC.
  3. (3p) Leg voor de volgende drie stoffen uit in welke fase ze zich bevinden bij kamertemperatuur (20 oC). Maak hierbij geen gebruik van BINAS, maar alleen van de volgende gegevens:
    - Petroleum heeft een smeltpunt van 203 K en een kookpunt van 423 K.
    - Chroom heeft een smeltpunt van 2180 K en een kookpunt van 2945 K.
    - Chloor heeft een smeltpunt van 172 K en een kookpunt van 239 K.
  4. (2p) Volgens de fabrikant smelt een weerstandsdraad bij een temperatuur van 1907 oC. Van welk materiaal is de draad gemaakt?
  5. (1p) Je krijgt een glas cola met een aantal ijsklontjes. Geef aan in welke fase de frisdrank, de koolstofdioxide (de "prik") en het ijs zich bevinden.
  6. (1p) Hoe noem je de faseovergang van een gas naar een vloeistof?
  7. (1p) Hoe noem je de faseovergang van een vaste stof naar een gas?
  8. (9p) Geef in de volgende situaties aan welke faseovergang er plaatsvindt:
    1. Je maakt ijsklontjes in de vriezer.
    2. Je kookt water.
    3. Bij koud weer komen nevelwolkjes uit je mond.
    4. Er vormen druppels aan de buitenkant van een koud glas limonade.
    5. Er vormen zich ijskristallen op de producten in de vriezer.
    6. Kleren drogen snel op in de wind.
    7. Je maakt ijsklontjes in de vriezer.
    8. De badkamerspiegel beslaat als je de douche uit stapt.
    9. Mist klaart op in de loop van de ochtend.
    10. Er vormen zich dauwdruppels op grassprieten.
  9. Lege knoopcellen (een batterij in de vorm van een knoop) bevatten kwik en worden in een fabriek verwerkt. De knoopcellen worden eerst vermalen. Daarna worden ze verhit tot boven het kookpunt van kwik. Het vloeibare kwik gaat daarbij over in de gasvorm.
    1. (1p) Hoe noem je deze faseovergang.
    2. (2p) Noteer bij welke temperatuur het kwik gasvormig wordt in K en oC.
    3. (1p) Het gasvormige kwik wordt daarna opgevangen en koelt af naar kamertemperatuur. Van welke faseovergang is er sprake bij het afkoelen?

    (Bron: Examen VMBO-T, 2023-1)
  10. (1p) Droogijs is bevroren koolstofdioxide. Bij kamertemperatuur verandert dit direct in gas. Hoe noemen we deze faseovergang?
  11. (1p) Een leerling komt een kamer binnen en zijn bril beslaat. Leg uit wat er gebeurd is.
  12. (1p) Leg uit wat er met de deeltjes gebeurt als een vloeistof verdampt.
  13. (2p) In de volgende afbeelding zien we bij A stoom ontsnappen uit een ketel. Bij B wordt de stoom een nevel. Noteer voor A en B de fase waarin het water zich bevindt. Leg je antwoord uit.


    (Afbeelding: Lesley Van Damme; CC BY 2.0)

 

§3     Warmte

In deze paragraaf gaan we het hebben over het verschil tussen warmte en temperatuur. 

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 een warme naar een koude stof.

In het dagelijks leven wordt in dit voorbeeld ook wel eens gezegd dat "kou" van een koude naar een warme stof 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)

Hoeveel warmte er zal stromen van een plek met hoge temperatuur naar een plek met lage temperatuur hangt af van het temperatuurverschil tussen deze twee plekken. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer warmte er zal stromen. We kunnen dit goed zien in het onderstaande diagram. Het diagram geeft het afkoelen weer van een voorwerp van 40 graden in een kamer met een omgevingstemperatuur van 20 graden Celsius. Merk op dat de temperatuur snel afneemt als het temperatuurverschil groot is. Na verloop van tijd wordt het temperatuurverschil kleiner en als gevolg neemt de temperatuur een stuk minder snel af.

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je begrijpt dat warmte een energiesoort is (gemeten in joule) die verplaatst van warme naar koude voorwerpen.
  • Zorg dat je weet dat de warmtestroom groter is als het temperatuurverschil groter is.

         Opdrachten
  1. (2p) Geef de SI-eenheid van warmte en van temperatuur.
  2. Een leerling houdt een hete kruik tegen zijn buik.
    1. (1p) Wat gebeurt er met de temperatuur van de kruik en de temperatuur van zijn buik?
    2. (1p) Verplaatst warmte van de kruik naar de buik of van de buik naar de kruik?
  3. Een leerling stopt een fles lauwe cola in een koeltas met koelelementen.
    1. (1p) Wat gebeurt er met de temperatuur van de cola en de temperatuur van de koelelementen?
    2. (1p) Verplaatst warmte van de cola naar de koelelementen of van de koelelementen naar de cola?
  4. (1p) Als we onze handen in de sneeuw leggen, dan voelt het alsof de "kou" in onze handen trekt. Leg uit waarom deze uitspraak niet correct is.
  5. In het bovenstaande diagram in de theorie zien we het afkoelen van een voorwerp in een kamer.
    1. (1p) Hoeveel neemt de temperatuur af in de eerste minuut?
    2. (1p) Hoeveel neemt de temperatuur af in de tweede minuut?
    3. (1p) Leg uit waarom de temperatuur minder afneemt in de tweede minuut.
  6. Een leerling wil een ijsklontje maken in de vriezer. Ze vraagt zich af of het stolpunt van ijs anders is als de vriezer kouder wordt ingesteld.
    1. (2p) Een stolpunt is wel een / geen Het stolpunt verandert daarom wel / niet door een koudere vriezer.
    2. (1p) Wat verandert wel als je het ijsklontje maakt in een koudere vriezer?
  7. (2p) Een nachtstroomkachel bestaat uit grote blokken speksteen die door een elektrisch verwarmingselement van binnenuit worden opgewarmd. Het opwarmen gebeurt 's nachts omdat elektrische energie dan goedkoper is. Overdag geven de stenen hun warmte langzaam weer af. In het onderstaande diagram is het temperatuurverloop van de stenen weergegeven.

    Het afkoelen van de spekstenen is op drie manieren getekend. Leg uit welke grafiek (A, B of C) hoort bij het afkoelen van de stenen.
    (bron: examen HAVO 2007-1)

 

§4     Warmtetransport

In deze paragraaf gaan we drie manieren bestuderen waarop warmte kan stromen van de ene plek naar de andere.  

Het stromen van warmte noemen we ook wel warmtetransport. Er bestaan drie soorten warmtetransport:

We gaan deze drie soorten hieronder uitgebreid bespreken.

Warmtegeleiding:

Warmtegeleiding (ook wel gewoon geleiding genoemd) ontstaat doordat deeltjes hun warmte doorgeven doordat ze tegen elkaar botsen. In de onderstaande animatie zie je een stuk metaal dat aan één kant 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).

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje wordt de geleidbaarheid van ijzer, aluminium en koper vergeleken:

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

DEMO-VIDEO:
Warmtegeleiding

Niet alle stoffen geleiden warmte even goed. Een metalen lepel in een pan met kokend water wordt bijvoorbeeld veel sneller warm dan een houten of een plastic lepel. Metaal wordt daarom een goede geleider genoemd en hout en plastic zijn slechte geleiders. 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). Doordat lucht slecht geleid, kan de warmte hierdoor 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.

Het verschil in geleidbaarheid van verschillende stoffen kunnen we ook zien in de onderstaande afbeelding. Als je je vinger op een koude geleider legt, dan trekt de warmte van je vinger gemakkelijk in het materiaal en wordt je vinger koud. Als gevolg zeg je dat het metaal koud aanvoelt. Als je je vinger op een hete geleider legt, dan trekt de warmte gemakkelijk je vinger in. Als gevolg voelt het metaal erg heet aan. Bij een isolator is de warmteoverdracht zowel bij lage als hoge temperatuur niet groot. Als gevolg voelt dit materiaal niet snel erg heet of erg koud aan.

         Demonstratievideo
We zien dit effect in het rechter filmpje. Een ijsklontje wordt op een stuk aluminium gelegd en op een stuk hout. Het ijsklontje dat op aluminium ligt smelt sneller, omdat aluminium een goede geleider is en daardoor de warmte in het materiaal gemakkelijk naar het ijsklontje stroomt.

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

DEMO-VIDEO:
Geleiders en isolatoren

Dit is ook waarom de zee bij bijvoorbeeld 20 graden Celsius veel kouder aanvoelt dan lucht bij 20 graden Celsius. Water geleid warmte namelijk een stuk beter dan lucht en kan daarom gemakkelijk de warmte uit ons lichaam trekken, waardoor we afkoelen.

Warmtestroming:

Hoewel gassen en vloeistoffen slechte geleiders zijn, kan warmte in deze stoffen wel goed worden getransporteerd met behulp van warmtestroming. We kunnen dit effect goed zien in de onderstaande linker afbeelding. We zien hier dat water in een buis verwarmd wordt. 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 gebeurt op deze manier (zie de rechter afbeelding). Een warme verwarming 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.

    

         Demonstratievideo
In het rechter filmpje demonsteren we dit principe. De stroming is zichtbaar gemaakt met behulp van kleine aluminiumdeeltjes:

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

DEMO-VIDEO:
Warmtestroming

In sommige gevallen willen we 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 glaswol of purschuim (zie de onderstaande afbeelding). In beide stoffen zitten belletjes lucht vast in het materiaal. Als gevolg kan geen stroming optreden. De aanwezigheid van lucht beperkt in dat geval geleiding en het isolatiemateriaal zelf beperkt stroming.

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. Dit zonlicht wordt dan geabsorbeerd en hierdoor 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, wordt soms glanzende folie tegen de muur achter een verwarming geplakt (zie de onderstaande afbeelding). De infraroodstraling die van de verwarming afkomt wordt dan terug de kamer in gereflecteerd.

Doffe en donkere voorwerpen absorberen straling het best. Deze voorwerpen worden daarom snel warm in de zon. Deze voorwerpen zenden ook weer gemakkelijk infraroodstraling uit. Als gevolg koelen ze ook weer snel af in de schaduw. Bij lichte en glimmende voorwerpen geldt het omgekeerde. Deze voorwerpen absorberen straling slecht en zenden ook weinig infraroodstraling uit. Als je een huis hebt in een warm land, dan is het dus handig dit huis wit te verven, zodat het binnen overdag koel blijft.

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

↓ VMBO VERSIES van deze VIDEOS komen binnenkort online!

INSTRUCTIE:
Warmtetransport

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je de drie soorten warmtetransport kent en voorbeelden kan noemen
  • Zorg dat je weet dat gassen zoals lucht slecht geleiden. Kunststof en hout geleiden ook slecht. Metalen geleiden juist goed. We noemen slechte geleiders ook wel isolatoren.
  • Zorg dat je weet dat koude goede geleiders extra koud aanvoelen omdat ze goed warmte aan onze huid onttrekken. Warme goede geleiders voelen juist extra warm aan. Slechte geleiders voelen niet snel erg koud of erg warm aan
  • Zorg dat je weet dat warmere gassen en vloeistoffen een lagere dichtheid hebben en opstijgen in een omgeving van koudere gassen en vloeistoffen
  • Zorg dat je weet dat warme voorwerpen infraroodstraling uitzenden. Net als zichtbaar licht zorgt de absorptie van straling voor een stijging van de temperatuur
  • Zorg dat je weet dat zwarte en doffe voorwerpen straling gemakkelijker absorberen (en hierdoor warm worden) maar het ook weer gemakkelijk uitstralen. Witte en glimmende voorwerpen absorberen licht juist slecht en zenden het ook weer slecht uit

         Opdrachten
  1. (2p) Noem twee stoffen die goed isoleren en twee stoffen die goed geleiden.
  2. (2p) Een koekenpan is meestal gemaakt van metaal, maar de handvaten zijn meestal gemaakt van kunststof. Leg uit waarom deze materialen gebruikt worden.
  3. (1p) Wat is het nadeel van metalen eetborden?
  4. (1p) Dubbele beglazing bestaat uit twee glasplaten met daartussen een laagje lucht. Wat is het voordeel hiervan?
  5. Bestudeer de onderstaande afbeelding.

    1. (1p) Hoe gaat de vloeistof stromen als je de buis verwarmt bij punt A?
    2. (1p) Hoe gaat de vloeistof stromen als je de buis verwarmt bij punt B?
  6. (1p) Hieronder zien we een bak met water die van onderaf verwarmd wordt. Teken de warmtestroming in deze bak met water:

  7. Hieronder is een verwarming getekend. We willen weten of het warme water van P naar Q of van Q naar P moet stromen om de verwarming optimaal te laten werken.

    1. (1p) Leg uit dat als het warme water van Q naar P stroomt, dat het warme water dan vrijwel direct wegstroomt zonder de gehele verwarming op te warmen.
    2. (2p) Leg uit waarom de verwarming correct werkt als het warme water van P naar Q stroomt.
  8. Om energieverlies tegen te gaan bij het verwarmen van je huis, wordt soms glanzende folie tegen de muur achter een verwarming geplakt. Van welk soort warmtetransport wordt hier gebruik gemaakt?
  9. In een thermosfles kunnen vloeistoffen lang koud en lang warm worden gehouden. Dit gebeurt doordat het warmtetransport van binnen naar buiten geminimaliseerd wordt. De thermosfles bestaat uit een dubbele wand met daartussen een laagje lucht. Aan de binnenkant van de fles is ook een glanzend oppervlak aangebracht.
    1. (1p) Leg uit wat de functie is van de dubbele wand.
    2. (1p) Leg uit wat de functie is van het glanzende oppervlak.
    3. (1p) Bij een duurdere variant wordt de lucht tussen de twee wanden ook nog weggepompt. We spreken dan van een vacuümthermosfles. Wat is het voordeel van deze fles?
  10. (3p) Een verwarming verwarmt een kamer. Welke soorten warmtetransport zorgen hier voor het verwarmen van de kamer en welke (bijna) niet? Leg je antwoord uit.
  11. (2p) Als je je hand 5 centimeter naast een brandende kaars houdt, dan voel je amper de warmte. Als je je hand 5 cm boven een brandende kaars houdt, dan voel je de warmte heel sterk. Wat zorgt voor dit verschil?
  12. Als een elektrische kachel aangezet wordt, dan worden de verwarmingsdraden in de kachel warm. Deze draden verwarmen de lucht.
    1. (1p) Dankzij welk soort warmtetransport wordt de lucht om de verwarmingsdraden warm.
    2. (2p) De verwarmde lucht stijgt op, omdat de massa / het volume van de lucht afneemt / toeneemt. Daardoor neemt de dichtheid van deze lucht af / toe.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-1)
  13. Vloerverwarming wordt onder laminaat gelegd.
    1. Dankzij welk soort warmtetransport verplaatst de warmte van de verwarmingsbuizen door het laminaat naar de lucht.
    2. Dankzij welk soort warmtetransport wordt daarna de gehele kamer verwarmd.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2022-2)
  14. Een brandend kaarsje wordt onder een metalen schaaltje geplaatst. Er zit 7 centimeter tussen de kaars en het schaaltje.
    1. (1p) Dankzij welk soort warmtetransport verplaatst de warmte van het kaarsje naar het schaaltje.
    2. (1p) Dankzij welk soort warmtetransport verplaatst de warmte van het schaaltje naar de olie in het schaaltje.

    (Bron: Examen VMBO-T, 2021-2)
  15. (1p) Een leerling staat bij een eikenhouten aanrechtblad met een metalen spoelbak. Hij legt zijn linkerhand op het aanrechtblad en zijn rechterhand op de spoelbak. Noteer welk materiaal kouder aanvoelt en geef daarvoor de reden.
    (Bron: Examen VMBO-T, 2019-1)
  16. Asfalt warmt snel op door de zon.
    1. (1p) Geef een reden dat asfalt snel opwarmt in de zon.
    2. (1p) De zwarte kleur van het asfalt zorgt voor het doorlaten van energie / het reflecteren van energie / het absorberen van energie.
    3. (1p) Welke vorm van warmtetransport maakt het asfalt in dit geval warm?

    (Bron: Examen VMBO-T, 2019-2)
  17. (1p) Het aluminium bakje van een waxinelichtje is in een bepaalde vorm geperst waardoor de onderkant niet vlak is (zie de onderstaande afbeelding). Door deze vorm zit er een laag stilstaande lucht onder het bakje als dit op de tafel staat. Noteer de functie van deze laag lucht.


    (Bron: Examen VMBO-T, 2021-2)

 

§5     Verwarmen

In deze paragraaf gaan we rekenen aan warmte.

Als we willen weten hoeveel warmte er nodig is om de temperatuur van een vloeistof een bepaalde hoeveelheid te laten stijgen, dan gebruiken we daarvoor een joulemeter (ook wel calorimeter genoemd). Een joulemeter is niets anders dan een geïsoleerd bakje met daarin een verwarmingselement en een thermometer (zie de onderstaande afbeelding).

In het bovenstaande voorbeeld is een joulemeter gevuld met water. In het verwarmingselement wordt elektrische energie omgezet in warmte en met deze warmte wordt het water verwarmd. De hoeveelheid elektrische energie kunnen we uitrekenen met de formule "E = Pt" uit het hoofdstuk "Elektriciteit". Omdat de elektrische energie in een joulemeter omgezet wordt in warmte (Q), kunnen we deze formule ook schrijven als:

$$ Q = P \times t $$

Warmte (Q)

joule (J)

Vermogen (P)

watt (W) of joule per seconde (J/s)

Tijdsduur (Δt)

seconde (s)

 

Met deze formules kan je dus uitrekenen hoeveel elektrische energie is omgezet in warmte. Met een thermometer kunnen we dan de temperatuurstijging aflezen. We kunnen op deze manier achterhalen hoeveel energie het kost om de temperatuur van een stof een graad Celsius te laten stijgen.

Bij een kilogram water vindt men met dit experiment bijvoorbeeld dat er 4180 joule nodig is om de temperatuur een graad Celsius te laten stijgen. Het is niet nodig deze waarde uit je hoofd te weten.

Veel huizen worden verwarmd met een cv-ketel. Hierin wordt water verwarmd door middel van de verbranding van aardgas. De chemische energie in aardgas wordt hierbij omgezet in warmte. In BINAS kunnen we vinden dat de verbrandingswarmte van aardgas gelijk is aan 32 J/cm3. Dit betekent dat er 32 joule aan chemische energie zit opgeslagen in één kubieke centimeter aardgas.

Een deel van de warmte zal echter ontsnappen door de wanden van het huis. Er is dus een verschil tussen de totale energie (Etot) die gebruikt is en de energie die nuttig gebruikt is (Enuttig). De fractie van de energie die nuttig gebruikt wordt (en dus niet verloren gaat) noemen we het rendement. Het rendement kunnen we als volgt berekenen:

$$ \frac{E_{nuttig}}{E_{tot}} = \eta $$

Het rendement in deze formule is een getal tussen de 0 en de 1. Het rendement wordt ook vaak uitgedrukt als percentage. In dat geval moet het rendement uit deze formule vermenigvuldigd worden met 100. Een rendement van 0,05 komt dus overeen met een rendement van 5%.

         Voorbeeld

 

Opdracht:

Voor het opwarmen van een woonkamer wordt 12,0 dm3 aardgas verbrand. Bereken hoeveel energie hierbij vrijkomt.

Antwoord:

Eerst rekenen we het volume aardgas om naar kubieke centimeter. 12 dm3 is gelijk aan 12 000 cm3.

Volgens BINAS is de verbrandingswarmte van aardgas gelijk aan 32 J/cm3. Met een verhoudingstabel kunnen we hiermee uitrekenen hoeveel energie er in totaal gebruikt is:

32 J 384 000 J
1 cm3 12 000 cm3

Er is dus 384 000 joule nodig om de kamer te verwarmen.


Opdracht:

Tijdens het verwarmen van de kamer ontsnapt 35 000 joule van de warmte door de wanden van het huis. Bereken het rendement van het verwarmen van de kamer.

Antwoord:

Het rendement vertelt ons hoeveel procent van de energie nuttig gebruikt is. In de vorige vraag hebben we berekend dat in totaal 384 000 J gebruikt wordt. In deze vraag staat dat hiervan 35 000 J aan warmte verloren is gegaan. Er is dan 384 000 - 35 000 = 349 000 J nuttig gebruikt. Er geldt dus:

Enuttig = 349 000 J
Etot = 384 000 J

Hiermee berekenen we het rendement:

$$ \eta = \frac{E_{nuttig}}{E_{tot}} $$ $$ \eta = \frac{349 000 }{384 000} = 0,91 $$

Het rendement is dus 91%.


Opdracht:

Vóór het verwarmen was de temperatuur van de kamer 17 oC. In de vorige vraag hebben we geleerd dat 349 000 J aan energie nuttig gebruikt werd om de kamer op te warmen.
Bereken de temperatuur van de lucht na het verwarmen. Ga ervan uit dat de temperatuur van de lucht stijgt met 1 oC bij opname van
1,29 × 105 J aan warmte.

Antwoord:

Dit lossen we weer op met een verhoudingstabel. We gebruiken dat 1 oC overeenkomt met 1,29 × 105 J aan energie. We willen weten welke temperatuurstijging hoort bij een warmte van 349 000 J:

1,29 × 105 J 349 000 J
1 oC 2,7 oC

De temperatuur is dus 2,7 oC toegenomen.

We begonnen bij een temperatuur van 17 oC. De temperatuur na het verwarmen wordt hiermee 17 + 2,7 = 19,7 oC.

 

         Leerdoelen:
  • Zorg dat je kan rekenen met de formule "Q = Pt".
  • Zorg dat je kan rekenen met de verbrandingswarmte met behulp van BINAS
  • Zorg dat je kan rekenen met het rendement
  • Zorg dat je kan uitrekenen hoeveel energie het kost om een stof te verwarmen als de energie bij een stijging van een graad Celsius gegeven is

         Opdrachten
  1. (1p) Het kost 4180 joule om een kilogram water een graad Celsius te laten stijgen. Bereken hoeveel het kost om een kilogram water 10 oC te verwarmen.
  2. (1p) Het kost 4180 joule om een kilogram water een graad Celsius te laten stijgen. Bereken hoeveel het kost om 150 gram water 10 oC te verwarmen.
  3. (2p) Het kost 4180 joule om een kilogram water een graad Celsius te laten stijgen. Bereken hoeveel energie het kost om een kilogram water van 20 oC aan de kook te brengen.
  4. Een leerling verwarmt 200 gram water in een joulemeter. Het verwarmingselement in de joulemeter heeft een vermogen van 50 W en het verwarmingselement staat 10 minuten aan.
    1. (3p) Laat met een berekening zien dat er 3,0 × 104 J aan warmte ontstaat in het verwarmingselement.
    2. (3p) Het kost 4180 joule om een kilogram water een graad Celsius te laten stijgen. Bereken hiermee hoeveel de temperatuur van het water gestegen is. Bereken hiervoor eerst hoeveel joule het kost om 200 gram water een graad Celsius te laten stijgen.
    3. (1p) De thermometer stond eerst op 18 o Bereken de waarde die de thermometer aangeeft na het experiment.
  5. (3p) Tijdens het touwtjespringen zetten de spieren energie uit voedsel om in arbeid en warmte. Een bokser produceert op deze manier per seconde 200 joule arbeid en 620 joule warmte. Bereken het rendement waarmee zijn spieren energie uit voedsel omzetten in arbeid.
  6. Voor het opwarmen van een woonkamer wordt 12,0 kubieke decimeter aardgas verbrand.
    1. (3p) Bereken hoeveel energie hierbij vrijkomt.
    2. (3p) Tijdens het verwarmen van de kamer ontsnapt 35 000 joule van de warmte door de wanden van het huis. Bereken het rendement van het verwarmen van de kamer.
    3. (2p) Voor het verwarmen was de temperatuur van de kamer 17 oC. In de vorige vraag hebben we geleerd dat 349 000 J aan energie nuttig gebruikt wordt om de kamer op te warmen. Als de lucht 1 oC in temperatuur stijgt, neemt het 1,29 × 105 J energie op. Bereken de temperatuur van het water na het verwarmen.
  7. (2p) Een leerling stelt de vaatwasser in op een eco-programma. De vaatwasser verwarmt tijdens dit programma een hoeveelheid water met een begintemperatuur van 15 oC. Als dit water 1 oC in temperatuur stijgt, neemt het 8,4 × 104 J energie op. Bij het verwarmen neemt het water in totaal 2,94 × 106 J energie op. Bereken de temperatuur van het water na het verwarmen.
    (Bron: Examen VMBO-T, 2021-2)
  8. Een blokje koper van 20 gram heeft een temperatuur van 20 oC. Het kost 0,387 J om een gram koper een graad Celsius op te warmen.
    1. (2p) Bereken hoeveel energie het kost om het hele blokje een graad Celsius op te warmen.
    2. (2p) Bereken hoeveel warmte moet worden toegevoegd om de temperatuur te laten stijgen tot 35 oC.
  9. Een persoon wil een kamer van 14,4 oC naar 20,0 oC verwarmen. De kamer heeft een volume van 18 m3.
    1. (3p) Het kost 1290 joule om een kubieke meter lucht een graad te verwarmen. Bereken hoeveel energie het opwarmen van de kamer gekost heeft.
    2. (2p) Bereken hoeveel kubieke centimeter aardgas hiervoor verbrand moest worden.
  10. Een leerling verwarmt water met een dompelaar. Om de paar minuten meet de leerling de temperatuur en de toegevoegde elektrische energie. De gegevens staan in de onderstaande tabel:
    E (kWh)T (oC)
    0,00016
    0,00529
    0,01044
    0,01560
    0,02072
    0,02585
    0,030100

    1. (1p) Zet in het onderstaande diagram alle meetpunten uit en teken de grafiek.

    2. (1p) Wat is de naam van het wiskundige verband tussen temperatuur en energie?
    3. (1p) Noteer de reden waarom het water tijdens de proef niet warmer wordt dan 100 oC.
    4. (2p) De dompelaar zet 0,030 kWh (108 kJ) aan elektrische energie om bij het verwarmen tot 100 oC. Het water heeft dan 88 kJ energie opgenomen. Hoeveel procent van de energie gaat verloren?
    5. (2p) In het onderstaande diagram geeft grafiek 1 het hierboven beschreven experiment van de leerling weer. De leerling herhaalt het experiment een keer met een dompelaar met een groter vermogen en een keer met een grotere hoeveelheid water. Welke grafiek hoort bij welk experiment?


    (Bron: Examen VMBO-T, 2019-1)

BINAS:
7-12 Formules
15-17 Smeltpunt en kookpunt
19 Verbrandingswarmte