Fasen en warmte (Natuurkunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Uitleg over fasen en warmte: molecuulmodel, de zes faseovergangen, temperatuur en kelvin, warmte en soortelijke warmte, de verwarmingskromme en dichtheid. Havo natuurkunde, syllabus D1.1 en D1.3, met foto's, twee animaties en checks.

Smeltend ijsblokje op een warme steen, 2024 (foto: ThoBel-0043, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Fasen en warmte

Examenstof natuurkunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: D1.1, D1.3. Image credit: ThoBel-0043 / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Wat ga je kunnen?

Ik kan faseovergangen verklaren met het molecuulmodel, temperaturen omrekenen en rekenen met warmte, soortelijke warmte en dichtheid.

Welke woorden horen bij het steeds verder verwarmen van water?

Verwacht: ijs, smelten, vloeibaar, kokend, verdampen, stoom, temperatuur, warmte, 100 graden. Gebruik deze woorden in de les en noteer ze in drie groepen: fasen, overgangen en temperatuur of warmte. Syllabus D1.1 en D1.3.

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Atomen en moleculen

• Alle stof bestaat uit deeltjes: atomen en moleculen.

• Een atoom is een los deeltje van een element; een molecuul bestaat uit atomen die aan elkaar vastzitten.

• Een watermolecuul bestaat uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom.

• Het molecuulmodel: deeltjes bewegen en trekken elkaar aan. De fase hangt af van hoe ze bewegen.

• Bij een faseovergang blijven de moleculen heel: alleen hun afstand en beweging veranderen.

Syllabus D1.1: vakbegrippen molecuul en atoom, het moleculaire model van materie. Meer theorie over de bouw van atomen hoort er niet bij. Veelgemaakte fout: denken dat water bij verdampen uiteenvalt in waterstof en zuurstof; de moleculen blijven water.

Animatie: deeltjes in een stof die steeds warmer wordt

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Vast, vloeibaar en gas

• Vaste stof: deeltjes dicht bij elkaar op vaste plaatsen; ze trillen op hun plek.

• Vloeistof: deeltjes dicht bij elkaar, maar ze schuiven langs elkaar.

• Gas: deeltjes ver uit elkaar; ze bewegen snel en vrij en vullen de hele ruimte.

• In de animatie krijgt de stof warmte: vast, vloeibaar, gas.

Syllabus D1.1: vakbegrippen vaste stof, vloeistof en gas met het molecuulmodel. Wat leerlingen moeten zien: het rooster dat trilt, rijen die gaan schuiven, deeltjes die door het hele vat vliegen. De temperatuurbalk stijgt, maar blijft gelijk tijdens smelten en verdampen (komt terug bij de verwarmingskromme). Kijkvraag: wat gebeurt er met de afstand tussen de deeltjes bij het verdampen? (Die wordt veel groter.) De animatie begint bij de vaste stof en loopt in ongeveer tien seconden tot gas. Image credit: Eigen animatie

Schema van de zes faseovergangen

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

De zes faseovergangen

• Smelten (vast naar vloeistof) en stollen (vloeistof naar vast).

• Verdampen (vloeistof naar gas) en condenseren (gas naar vloeistof).

• Sublimeren (vast naar gas) en rijpen (gas naar vast).

• Smelten, verdampen en sublimeren nemen warmte op; de andere drie geven warmte af.

Syllabus D1.1: vakbegrippen smelten, stollen, verdampen, condenseren, sublimeren en rijpen. Violette pijlen: de stof neemt warmte op, grijze pijlen: de stof geeft warmte af. Veelgemaakte fout: rijpen en sublimeren verwisselen, of stollen en condenseren. Geheugensteun: bij de overgang naar meer ruimte tussen de deeltjes neemt de stof warmte op. Image credit: Eigen figuur

Rijp op een tak, 2013 (foto: Bob Jones, CC BY-SA 2.0)

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Faseovergangen om je heen

• Rijp ontstaat als waterdamp uit de lucht direct ijs wordt: dat is rijpen.

• Droogijs wordt gas zonder eerst vloeibaar te worden: dat is sublimeren.

• Een beslagen ruit: waterdamp wordt waterdruppels. Dat is condenseren.

• In een pan kokend water wordt vloeistof gas: verdampen. De moleculen blijven water.

Syllabus D1.1: de faseovergangen in een alledaagse situatie herkennen. Droogijs is vaste kooldioxide. Rijp is geen bevroren regen maar ijs uit waterdamp. Kijkvraag bij de foto: welke twee fasen zitten er bij rijp om de overgang heen? (Gas en vaste stof.) Image credit: Bob Jones / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0

Een plas water op straat vriest vast. Welke faseovergang is dit?

A

Smelten

B

Stollen

C

Rijpen

D

Sublimeren

Vloeistof naar vaste stof is stollen. Afleiders: smelten is de omgekeerde richting, rijpen en sublimeren gaan via gas. Syllabus D1.1.

Vul in

In een gas zitten de deeltjes ver uit elkaar en in een vaste stof trillen ze op vaste plaatsen.

gas

vaste stof

vloeistof

molecuul

Syllabus D1.1: gas en vaste stof met het molecuulmodel.

Houten thermometer tegen een muur, 2026 (foto: A S M Jobaer, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Temperatuur en beweging

• Temperatuur is een maat voor hoe snel de deeltjes gemiddeld bewegen.

• Hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de deeltjes bewegen of trillen.

• Temperatuur is iets anders dan warmte: warmte is energie, in joule (J).

• Je meet temperatuur in graden Celsius (°C) of in kelvin (K).

Syllabus D1.3: temperatuur beschrijven in termen van beweging van deeltjes. Veelgemaakte fout: temperatuur en warmte door elkaar halen. Kijkvraag: waarom wijst een thermometer een hogere waarde aan als de deeltjes sneller bewegen? Image credit: A S M Jobaer / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Absoluut nulpunt en kelvin

• Er bestaat een laagste temperatuur: het absoluut nulpunt. Daar bewegen de deeltjes niet meer; kouder kan niet.

• De kelvin (K) begint bij het absoluut nulpunt: 0 K is ongeveer −273 °C.

• Een temperatuur in kelvin is nooit negatief.

• IJs smelt bij 0 °C, dat is 273 K. Water kookt bij 100 °C, dat is 373 K.

• Een stap van 1 K is even groot als een stap van 1 °C.

Syllabus D1.3: uitleggen dat er een absoluut nulpunt bestaat en kelvin gebruiken. In het deeltjesmodel is het absoluut nulpunt de temperatuur waarbij de beweging van de deeltjes is opgehouden. Veelgemaakte fout: denken dat 0 K gelijk is aan 0 °C, of dat een temperatuur in K negatief kan zijn.

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Omrekenen tussen °C en K

• T = t + 273: T in kelvin, t in graden Celsius (staat in je informatieboek).

• Voorbeeld: 20 °C is 20 + 273 = 293 K.

• Terug: t = T − 273. Voorbeeld: 350 K is 350 − 273 = 77 °C.

• Een temperatuurverschil ΔT is in K en in °C gelijk: van 20 °C naar 50 °C is ΔT = 30 K.

• In Q = c·m·ΔT gebruik je ΔT, dus daar hoef je niet om te rekenen.

Syllabus D1.3: omrekenen van graden Celsius naar kelvin en omgekeerd. In deze les rekenen we met 273; het nauwkeurigere getal is 273,15 en de opgave bepaalt welke je gebruikt. Controle: 20 + 273 = 293 en 350 − 273 = 77. Veelgemaakte fout: 273 bij een temperatuurverschil optellen.

Reken om: 25 °C is hoeveel kelvin?

A

248 K

B

−248 K

C

25 K

D

298 K

T = t + 273 = 25 + 273 = 298 K. Afleiders: 273 − 25 (248), 25 − 273 (−248) en niets omrekenen (25). Syllabus D1.3.

Vul in

Het absolute nulpunt ligt bij 0 K, dat is ongeveer −273 °C, en kouder kan niet.

absolute nulpunt

−273

0

273

Syllabus D1.3: absoluut nulpunt.

Waterkoker met kokend water, 2023 (foto: Plorpy2, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Warmte en temperatuurstijging

• Warmte Q is energie die wordt toegevoerd of afgevoerd, in joule (J).

• Voeg je warmte toe, dan gaan de deeltjes sneller bewegen: de temperatuur stijgt.

• De stijging hangt af van de warmte, de massa en de stof.

• Een waterkoker zet elektrische energie om in warmte: E = P·t (zie Arbeid en vermogen).

Syllabus D1.3: temperatuurveranderingen beschrijven als gevolg van het toe- of afvoeren van warmte. De formule E = P·t staat uitgewerkt in het onderwerp Arbeid en vermogen. Kijkvraag: wat gebeurt er met de temperatuur van het water als de koker langer aan staat? (Die stijgt, tot 100 °C.) Image credit: Plorpy2 / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Water kookt in een pan, 2013 (foto: Tomwsulcer, CC0)

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Soortelijke warmte: Q = c·m·ΔT

• Q = c·m·ΔT: Q in J, c in J/(kg·K), m in kg, ΔT in K (informatieboek).

• De soortelijke warmte c is een stofeigenschap: de warmte om 1 kg van de stof 1 K warmer te maken.

• Water: c = 4,18·10³ J/(kg·K). Andere stoffen zoek je op in je informatieboek.

• Voorbeeld: 1,0 kg water van 20 °C naar 30 °C: Q = 4,18·10³ × 1,0 × 10 = 4,2·10⁴ J.

Syllabus D1.3: soortelijke warmte als stofeigenschap, formule Q = c·m·ΔT. Controle: 4,18·10³ × 1,0 × 10 = 41 800 J, met twee significante cijfers 4,2·10⁴ J. Veelgemaakte fouten: gram niet omrekenen naar kg, de eindtemperatuur in plaats van ΔT invullen, of c verwarren met Q. Water heeft een hoge soortelijke warmte: veel warmte nodig voor een kleine temperatuurstijging. Let op de letter Q: de syllabus gebruikt Q voor warmte (Q = c·m·ΔT) en ook voor debiet (Q = ΔV/Δt). In het onderwerp Warmtetransport en debiet is Q alleen het debiet en heet de warmte door een wand E (E = P·t). Hier is Q de warmte in J. Image credit: Tomwsulcer / Wikimedia Commons, CC0

Animatie: verwarmingskromme van water (niet op schaal)

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

De verwarmingskromme

• Warmte toevoegen aan ijs: T stijgt, het ijs smelt, T stijgt weer, het water verdampt.

• Tijdens een faseovergang blijft T gelijk: de warmte maakt deeltjes los van elkaar.

• IJs en waterdamp lopen steiler dan water: ze hebben een kleinere c.

• Een schuin stuk volgt Q = c·m·ΔT, een vlak stuk is een faseovergang.

Syllabus D1.1 en D1.3: faseovergangen en temperatuurverandering bij toevoer van warmte. De figuur is niet op schaal: het vlakke stuk bij verdampen is in werkelijkheid veel langer dan bij smelten. Een rekenformule voor het vlakke stuk (smeltwarmte, verdampingswarmte) hoort niet bij de syllabus. Kijkvraag: waarom loopt het stuk van het vloeibare water minder steil dan dat van het ijs? (Water heeft een grotere soortelijke warmte.) Het eerste beeld laat al de hele kromme zien. Image credit: Eigen animatie

IJsberg in zee bij Antarctica, 2016 (foto: NASA ICE, publiek domein)

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Dichtheid

• ρ = m/V: ρ in kg/m³, m in kg, V in m³ (informatieboek).

• Dichtheid is een stofeigenschap: de massa van één m³ van de stof.

• Reken om: 1 g/cm³ = 1,0·10³ kg/m³ en 1 L = 1,0·10⁻³ m³.

• IJs heeft een kleinere dichtheid dan water en drijft daarom. Waarden zoek je op in je informatieboek.

Syllabus D1 formule ρ = m/V (dichtheid is ook nodig om een volume om te rekenen naar een massa). Eenheden herleiden volgens A15. Veelgemaakte fout: cm³ als m³ invullen (factor 10⁶) of de formule omdraaien. Het volume van een balk is lengte × breedte × hoogte. Image credit: NASA ICE / Wikimedia Commons, publiek domein

Een stof van 4,0 kg krijgt 2,5·10⁵ J en is nu ΔT warmer (c = 4,18·10³ J/(kg·K)). Bereken ΔT.

A

60 K

B

6,7·10⁻² K

C

2,9·10² K

D

15 K

ΔT = Q/(c·m) = 2,5·10⁵/(4,18·10³ × 4,0) = 2,5·10⁵/16 720 = 14,95 K, dus 15 K. Afleiders: m vergeten (60), de breuk omgedraaid (6,7·10⁻²) en 273 erbij (2,9·10²). Controle: 15 × 16 720 = 2,5·10⁵. Syllabus D1.3.

Vul in

De soortelijke warmte is een stofeigenschap in J/(kg·K); de dichtheid heeft de eenheid kg/m³.

soortelijke warmte

dichtheid

temperatuur

warmte

Syllabus D1.3 en formule ρ = m/V.

Wat vond je het lastigst in deze les?

1

Fasen en faseovergangen

2

Temperatuur en kelvin

3

Rekenen met Q = c·m·ΔT

4

De verwarmingskromme en dichtheid

Bespreek het meest gekozen onderdeel kort na.

Waarom blijft T gelijk tijdens het smelten?

Goed antwoord: de toegevoerde warmte is nodig om de deeltjes los te maken van hun plaats, niet om ze sneller te laten bewegen. Syllabus D1.1.

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Begrippen (1/2)

• molecuulmodel: stof bestaat uit bewegende deeltjes die elkaar aantrekken; de beweging bepaalt de fase

• smelten en stollen: vast naar vloeistof en vloeistof naar vast

• verdampen en condenseren: vloeistof naar gas en gas naar vloeistof

• sublimeren en rijpen: vast naar gas en gas naar vast, zonder vloeistof

• temperatuur: maat voor de gemiddelde beweging van de deeltjes, in °C of K

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Begrippen (2/2)

• absoluut nulpunt: laagste temperatuur: 0 K, ongeveer −273 °C

• kelvin: eenheid van temperatuur, T = t + 273

• warmte: energie die wordt toegevoerd of afgevoerd, in J

• soortelijke warmte: stofeigenschap c: warmte om 1 kg 1 K warmer te maken, Q = c·m·ΔT

• dichtheid: massa per volume: ρ = m/V, in kg/m³