Warmte & Materialen - Warmtetransport

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Warmte & Materialen

Warmtetransport

Hoofdstuk Warmte & Materialen

Warmte & Materialen - Warmtetransport

Warmte & Materialen - Temperatuur

Warmte & Materialen - Faseovergangen

Warmte & Materialen - Soortelijke warmte

Warmte & Materialen - Geleidbaarheid

Warmte & Materialen - Spanning & rek (HAVO)

Warmte & Materialen - Ideale gaswet (VWO)

Vraag 1

Stel dat je soep aan het koken bent. Om de soep te roeren, kan je beter een houten lepel gebruiken dan een metalen lepel, omdat de metalen lepel snel warm wordt. 

Leg uit waarom dat zo is.

Vraag 2

Je zit nu aan een bureau. Voel het tafelblad en de metalen tafelpoot aan. De tafelpoot voelt kouder aan dan het tafelblad. En toch hebben beide voorwerpen dezelfde temperatuur als de temperatuur van het lokaal. 

Verklaar hoe het kan dat beide voorwerpen zo aanvoelen.

Vraag 3

De ruimte heeft een zeer lage temperatuur, namelijk -270,4 °C. 

Stel dat een astronaut om één of andere reden zijn/haar helm af zou doen in de ruimte, wat zou er dan met de astronaut gebeuren?

Vraag 4

Ijs maken in de vriezer kost energie. 

Leg uit waarom.

Vraag 5

Wanneer er drenkelingen uit de zee worden gered door de kustwacht, krijgen ze vaak een aluminium "deken" om. 

Leg uit waar dit voor dient.

Trillende deeltjes

Stel je legt een stuk ijzer met een temperatuur van 60 °C tegen een even groot stuk ijzer met een temperatuur van 0 °C (zie de afbeelding hiernaast). Door de hogere temperatuur trillen de deeltjes in het linker blok sneller. Deze snel trillende deeltjes in het linker blok botsen tegen de minder snelle deeltjes in het rechter blok. 

Als gevolg hiervan remmen de deeltjes in het linker blok wat af en gaan de deeltjes in het rechter blok juist sneller trillen. De temperatuur van het linker blok neemt hierdoor af en de temperatuur in het rechter blok neemt hierdoor toe. Dit proces gaat door totdat de deeltjes in beide stukken evenveel trillen. Dit gebeurt als de temperatuur gelijk wordt. 

Als er geen warmte verloren gaat aan de omgeving en als de blokken even groot zijn, dan zal de temperatuur van beide blokken uiteindelijk 30 °C worden.

Hoe harder de deeltjes in een stof trillen, hoe meer energie deze deeltjes hebben. In het hierboven beschreven proces is dus energie verplaatst van het linker naar het rechter blok. Het soort energie dat hier verplaatst is noemen we de warmte (Q). De SI-eenheid van de energie is joule (J). Ook de warmte heeft dus als SI-eenheid de joule.

Warmte & temperatuur

Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen warmte en temperatuur. De temperatuur is datgene dat we met een thermometer meten, een toestand, en de eenheid hiervan is graden Celsius of kelvin. Warmte is een soort energie en de eenheid hiervan is de joule.

We hebben gezien dat in het bovenstaande voorbeeld een deel van de energie in het linker blok overgedragen is naar het rechter blok. We hebben daarom geconcludeerd dat er warmte is verplaatst van links naar rechts. 

In het dagelijks leven zeggen we ook wel dat 'kou' zich verplaatst van rechts naar links. Het linker blok is immers kouder geworden. In de natuurkunde wordt deze manier van denken echter zo veel mogelijk vermeden. 

De energie stroomt immers van hoge naar lage temperatuur en niet andersom. Een zin als 'doe het raam dicht, want er komt kou binnen' is natuurkundig gezien dus onhandig.

Warmtetransport

Hoeveel warmte er zal stromen van een plek met hoge temperatuur naar een plek met lage temperatuur hangt af van het temperatuurverschil (ΔT) tussen deze twee plekken. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer warmte er zal stromen. Als gevolg neemt de temperatuur van het warme voorwerp sneller af en van het koude voorwerp sneller toe.

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

- (Warmte)geleiding

- (Warmte)stroming

- (Warmte)straling

Warmtegeleiding (ook wel gewoon geleiding genoemd) ontstaat doordat atomen hun warmte doorgeven doordat ze tegen elkaar botsen. Op één plek wordt een stuk metaal verwarmd en als gevolg gaan op deze plek de deeltjes sneller trillen. Deze deeltjes botsen dan tegen de omringende deeltjes en deze worden als gevolg ook in trilling gebracht. Op deze manier verplaatst 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 rode pijl).

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 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. Dat bijvoorbeeld lucht een goede isolator is kan je goed ervaren door je hand dicht naast een vlam te houden. Je hand zal hierdoor niet erg opwarmen. Als je je hand boven de kaars houdt, dan voel je wel snel de warmte. Dit komt echter door een ander effect, genaamd warmtestroming, dat de later in deze paragraaf zullen bespreken.

Een thermosfles maakt goed gebruik van deze eigenschap van lucht. Een thermosfles bestaat uit twee flessen met daartussen lucht 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.

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 afbeelding. Door geleiding zal alleen 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. Als gevolg begint 

het water rond te stromen.

Ook het verwarmen van een kamer gebeurt via warmtestroming (zie de onderstaande 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 warmte-

stroom in de kamer 

en wordt de kamer 

steeds warmer.

Warmtestraling

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 het 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. Er is ook straling die we niet met onze ogen kunnen zien. 

Wijzelf zenden bijvoorbeeld infraroodstraling uit. In de onderstaande afbeelding is een foto gemaakt met een infraroodcamera. Zoals je ziet geeft warm water ook infrarood licht af. Je kunt deze infraroodstraling bijvoorbeeld voelen als je je hand naast een hete verwarming plaatst (boven de verwarming heeft warmtestroming de overhand).

Debiet

Stel we vullen een zwembad met een tuinslang. Het volume water dat per tijdseenheid uit de slang komt noemen het debiet. Debiet wordt bijvoorbeeld gemeten in m³/s of L/s. De formule voor debiet is:

waarin:

Q   = debiet (m³/s)

ΔV = volume (m³)

Δt  = tijdsduur (s)

Het stromen van een vloeistof zoals water door een buis of tuinslang, kunnen we zien als een gedeeltelijk volume van de buis (ΔV ) wat gedurende een bepaalde tijd (Δt) er doorheen stroomt.

De doorsnede van een buis is natuurlijk uit te rekenen met:

waarin:

A =  doorsnede buis (m²)

r  = straal buis (m)

Q=​Δt​​ΔV​​

A=πr​2​​

Debiet

We kunnen we formule voor debiet ook herschrijven. Denk aan een hoeveelheid water in een tuinslang. Het volume van het water in de slang kunnen we ook schrijven als de doornede (A) keer de lengte (ℓ) van de slang:

waarin:

V = volume (m³)

A = oppervlakte (m²)

ℓ = lengte (m)

Het water door de slang stroomt met een bepaalde snelheid. Met dat gegeven en de doorsnede van de buis, is het debiet ook uit te rekenen met de volgende formule:

waarin:

Q = debiet (m³/s)

A = oppervlakte (m²)

v = snelheid van de vloeistof (m/s)

Hieruit volgt ook de volgende beredenatie: als de straal (en dus de doorsnede) kleiner wordt, wordt de snelheid hoger bij gelijk debiet.

Q=A⋅v

V=A⋅ℓ

Opgaven

Opgave 1
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

Opgave 2
Een koekenpan is meestal gemaakt van metaal, maar de handvaten zijn meestal gemaakt van kunststof. Leg uit waarom deze materialen gebruikt worden.

Opgave 3
Dubbele beglazing bestaat uit twee ruiten met daartussen een laagje lucht. Wat is het voordeel hiervan?

 

Opgave 4
In een thermosfles kunnen vloeistoffen lang koud en lang warm worden gehouden. Dat kan 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.
a. Leg uit waarom de thermosfles zo goed werkt.
b. 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?
 

Opgaven

Opgave 5
Een verwarming verwarmt een kamer. Welke soorten warmtetransport zorgen hier voor het verwarmen van de kamer en welke (bijna) niet? Leg je antwoord uit.

 

Opgave 6
Als je je hand 5 centimeter naast een brandende kaars houdt, dan voel je amper de warmte. Als je je hand 5 cm boven de brandende kaars houdt, dan voel je de warmte heel sterk. Wat zorgt voor dit verschil?