Hoofdstuk 3: energie en warmte

Energie en warmte

§3.1 warmte en temperatuur; het molecuulmodel

Warmte is de hoeveelheid energie die verplaatst wordt van voorwerpen met een hoge temperatuur naar voorwerpen met een lage temperatuur.

Alle voorwerpen zijn gemaakt van een stof (materie), die weer is opgebouwd uit kleine deeltjes (moleculen). Eigenschappen zijn te verklaren met het molecuulmodel.

moleculen trekken elkaar aan

Er zit ruimte tussen moleculen (intermoleculaire ruimte)

Moleculen in een stof bewegen voortdurend, ze hebben kinetische energie

De temperatuur van een stof is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de moleculen.

Er bestaan drie fasen (aggregatietoestanden) van een stof. 

Vaste fase: Moleculen voeren met hoge frequentie trillingen uit om vastliggende evenwichtsstanden. De stof heeft een eigen vorm, de intermoleculaire ruimte is erg klein en aantrekkingskracht heel groot.

Vloeibare fase: Moleculen bewegen door de gehele stof heen, de stof heeft geen eigen vorm. De ruimte tussen de moleculen is iets groter.

Gasvormige fase: De ruimte tussen de moleculen is zo groot dat de aantrekkende krachten te verwaarlozen zijn. 

Door energie aan een stof toe te voegen of te onttrekken ontstaat een faseovergang. 

De temperatuur kan niet verder meer dalen als de moleculen geen kinetische energie meer hebben. Dit gebeurt bij een temperatuur van -273 graden Celcius of 0 graden Kelvin. 

§3.2 warmtetransport

Warmtegeleiding

Het proces waarbij warmte door de stof heen wordt getransporteerd. Door energietoevoeging aan 1 uiteinde van een stof krijgen moleculen kinetische energie en gaan ze trillen. De trilling wordt doorgegeven aan naburige moleculen, net zo lang tot de energie, warmte dus, het andere uiteinde van de stof heeft bereikt.

Vloeistoffen en gassen zijn slechte geleiders vanwege de grotere ruimte tussen de moleculen. Vaste stoffen die elektriciteit geleiden zijn ook goede geleiders vanwege de vrije elektronen.

Warmtestroming

Warmte wordt getransporteerd. Bij bijvoorbeeld een van onder verwarmde reageerbuis ontstaat een stroming omdat de verwarmde moleculen omhoog gaan en de koudere moleculen naar beneden. Dit vanwege het verschil in dichtheid. 

Bij warmtestroming gaat de warmte altijd met de moleculen mee naar boven.

Warmtestraling

Er zijn geen moleculen nodig bij deze vorm van warmtetransport. Wanneer de warmtestraling op een voorwerp valt, absorbeert het voorwerp een gedeelte van de stralingsenergie. Donkere voorwerpen absorberen straling beter dan lichtgekleurde voorwerpen.

Warmte isolatie; slecht warmtetransport

Warmte-isolatie is het verhinderen an energieverlies via warmtegeleiding, warmtestroming en warmtestraling.

Een thermoskan is isolerend omdat er een losse fles inzit, meestal gemaakt van glas. Tussen het glas en de buitenste fles is vacuüm gezogen en de zilverkleurige folie aan de binnenkant weerkaatst de warmtestraling.

Glaswol bestaat uit dunne glazen draden die vastzitten aan aluminiumfolie. Door de vele draden kan de lucht tussen de draden niet stromen. Zowel glas als lucht zijn slechte geleiders dus er is weinig energieverlies. Warmtestraling wordt weerkaatst door het aluminiumfolie.

Centrale verwarming: goed warmtetransport

Om de warmte in huis van de ketel naar de huiskamer te brengen wordt gebruik gemaakt van warmtegeleiding, warmtestroming en -straling.

De ketel is de warmtebron, die zijn warmte door de metalen wand van de buizen naar het water in de buizen transporteert dmv warmtegeleiding. 

De opgenomen warmte wordt door het stromende water meegenomen van ketel naar radiator; warmtestroming. In de radiator wordt de warmte afgegeven (warmtegeleiding) aan het metaal en metaal aan de lucht. Ook straalt de radiator warmte uit. 

§3.3 Warmte opnemen en afstaan

Soortelijke warmte

De soortelijke warmte van een stof geef de hoeveelheid warmte aan die nodig is een één kilogram van die stof één graad Celsius te laten stijgen. 

De formule is Q = c・m・△T

Q is hoeveelheid energie in J

c is de soortgelijke warmte in J/kg/ºC

m is massa in kg

△T i s temperatuurverschil in graden Celsius

Warmtecapaciteit

Bij experimenten met een Joule-meter neemt de meter ook een niet verwaarloosbare hoeveelheid warmte op. Omdat de meter uit verschillende stoffen bestaat spreken we van warmtecapaciteit. Dit wordt aangegeven met C en uitgedrukt in J/ºC of J/K.

De formule is C = Q / △T

Hieruit volgt dat Q = C ・△T

Energiebalans

Als er geen warmte verloren gaat is de totale hoeveelheid energie gelijk aan de energie die afgestaan wordt, bijvoorbeeld: Emagnetron = Qwater + Qbeker.

De opgenomen warmte is gelijk aan de afgestane warmte: Qop=Qaf.

§3.4 Rendement en duurzame energie

Rendementsverbetering

Het rendement n is gedefinieerd als het percentage nuttig gebruike energie.

n = Enuttig/Ein * 100% of n = Pnuttig/Pin * 100%

Hierin is Enuttig de hoeveelheid energie die het apparaat nuttig gebruikt en Ein de totale hoeveelheid energie die aan het apparaat wordt toegevoerd. Aangezien dit altijd in dezelfde tijdsduur gebeurt, kan je het rendement ook definieren met P. 

Rendement bij een centrale verwarming

Bij een ketel wordt aardgas verbrand. Een deel van deze warmte gaat verloren omdat het direct de schoorsteen uitgaat. Door het koude water uit de ketels te verwarmen met de gassen, hoeft er minder aardgas verbrand te worden en dus stijgt het rendement. Een hr-ketel heeft een rendement van 90%.