Energie en warmte

3.1 Warmte

Warmte is een vorm van energie, met als eenheid joule (J). Afstaan en opnemen van warmte is het overdragen van energie door een voorwerp met een hogere temperatuur aan een voorwerp met een lagere temperatuur. Als beide voorwerpen dezelfde temperatuur hebben gekregen, houdt de overdracht van warmte (energie) op. Als de temperatuur van een voorwerp stijgt, neemt zijn inwendige energie Ei toe.

3.2 Warmtetransport

De overdracht van warmte kan op drie manieren plaatsvinden: door geleiding, stroming en straling. Het zijn drie manieren waarop warmte kan worden getransporteerd.

Bij geleiding geven de moleculen door onderlinge botsingen kinetische energie aan elkaar door. Uit experimenten blijkt dat stoffen die elektriciteit goed geleiden, ook warmte goed geleiden. Hoe groter de waarde van de warmtecoëfficiënt, des te beter geleidt de stof de warmte. (Binas 8 t/m 12)

- Metalen en alliages (mengsels van metalen) zijn goede of zelfs zeer goede warmtegeleiders.

- De meeste andere stoffen zijn slechte warmtegeleiders, evenals de meeste vloeistoffen.

- Gassen zijn zeer slechte warmtegeleiders.

Slechte warmtegeleiders zijn juist goede warmte-isolatoren. Vooral stoffen die veel lucht bevatten, worden vaak als isolatiemateriaal gebruikt.

Vloeistoffen en gassen kunnen goed warmte transporteren, maar ze doen dat dan niet door geleiding maar door stroming. Bij stroming nemen de moleculen kinetische energie met zich mee en geven die elders voor een deel af.

Bij absorptie van straling vindt omzetting plaats van stralingsenergie in kinetische energie van de moleculen. De moleculen gaan steeds sneller bewegen; de temperatuur stijgt. Elk voorwerp zendt straling uit: hoe hoger de temperatuur van een voorwerp, des te meer straling zendt het uit. Een voorwerp dat veel straling kan uitzenden, kan ook veel straling absorberen. Straling kan ook door vacuüm gaan.

3.3 Meten van warmtehoeveelheden

De soortelijke warmte van een stof geeft aan hoeveel warmte er nodig is om één kilogram van die stof één graad Celsius in temperatuur te laten stijgen.

De hoeveelheid warmte (in J) die nodig is, kun je berekenen door de soortelijke warmte (in J/(kg °C)) te vermenigvuldigen met de massa (in kg) n met het temperatuurverschil (in K of °C). In formule:

Volgens de wet van behoud van energie geldt: de hoeveelheid warmte die het voorwerp heeft afgestaan, is gelijk aan de hoeveelheid warmte die de joulemeter en het water hebben opgenomen. Een joulemeter noem je ideaal als er absoluut geen warmte-uitwisseling met de omgeving plaatsvindt. Voor het warmte uitwisselingsproces binnen zon joulemeter geldt dan: hoeveelheid opgenomen warmte is gelijk aan hoeveelheid afgestane warmte.

De warmtecapaciteit (C) van een voorwerp geeft aan hoeveel warmte er nodig is om het voorwerp één graad Celsius in temperatuur te laten stijgen. Symbool = C, eenheid = J °C-1  of  J K-1

De hoeveelheid warmte die een voorwerp opneemt of afstaat, is te berekenen met:

Bij het verbranden van stoffen zoals hout, olie en gas ontstaat warmte. De verbrandingswarmte of stookwaarde van een stof wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die bij de verbranding van een afgesproken hoeveelheid (vaste stoffen = 1 kg; vloeistoffen en gassen = 1 m3) stof vrijkomt. De eenheid voor verbrandingswarmte is voor vaste stoffen J kg-1 en voor vloeistoffen en gassen J m-3 (Binas tabel 28).

3.6 Anders omgaan met energie

We moeten opzoek naar energieomzettingen met een beter rendement. Bijvoorbeeld spaarlampen, HR-ketels.

Duurzame energie:

- Windturbine: opwekken van elektriciteit. Windenergie (kinetische energie van stromende lucht) wordt omgezet in elektrische energie.

- Zonnecel: een zonnecel zet de stralingsenergie van invallend zonlicht rechtstreeks om in elektrische energie. Meestal worden zonnecellen in serie geschakeld tot een zonnepaneel - wordt een grotere elektrische spanning verkregen.

- Zonnecollector: met behulp van een zonnecollector kan stralingsenergie van de zon gebruikt worden om water te verwarmen.

3.7 Warmtehuishouding in het menselijk lichaam

Bij de verbranding van benzine wordt chemische energie omgezet in andere energievormen (zoals bewegingsenergie en warmte). Je moet eten om je lichaam van brandstof te voorzien. De brandstof bestaat uit koolhydraten en vetten.

De minimale energie die het lichaam per tijdseenheid nodig heeft om te blijven functioneren wordt het basaal metabolisme genoemd. Het warmteverlies per tijdseenheid wordt bepaald door de oppervlakte A van je lichaam. De energieproductie per tijdseenheid wordt bepaald door het volume V van je lichaam. Hoe groter de verhouding A/V is, des te groter is het basaal metabolisme. Hoe hoger het percentage vet, des te minder energie je verliest. Daarmee wordt het basaal metabolisme lager. Als je schildklier ‘te hard’ werkt (teveel schildklierhormoon produceert), is je basaal metabolisme te hoog.

Het verrichten van arbeid is niet alleen afhankelijk van de hoeveelheid energie die het lichaam moet leveren, maar ook van de tijd. Het gaat dus om het vermogen dat het lichaam kan leveren:

Als je veel arbeid verricht, ga je zweten. Dit komt doordat het lichaam maar een klein gedeelte van de energie die vrijkomt bij de chemische reacties in nuttige energie omzet. Het overgrote deel wordt omgezet in warmte. Het menselijk lichaam kan warmte aan de omgeving afstaan door geleiding, straling, stroming en verdamping. Warmteafgifte door verdamping (water wordt verdampt en waterdamp wordt uitgeademd) neemt sterk toe zodra de lichaamstemperatuur boven de 37°C komt.