Hoofdstuk 3 Materialen

Hoofdstuk 3: Materialen

Eigenschappen van moleculen:

-Ze verschillen in grootte, maar ook de grootste moleculen zijn onzichtbaar klein.

-Ze verschillen sterk in massa.

-Ze trekken elkaar aan: soms heel zwak, soms heel sterk.

-Ze bewegen tussen andere moleculen door (gas) of ze trillen rond een vaste plek (vaste stof). Hoe warmer het is, des te sneller ze bewegen.

Moleculen bestaan uit atomen (de elementen). De massa van een atoom wordt bepaald door de massa van de kern.

0°C = 273 K

ρ = m/V     Met hierin          ρ  = Dichtheid in kg/mᶟ

                                                m = massa in kg

                                                V  =  volume in mᶟ

Deeltjeseigenschappen

-De deeltjes zijn zeer klein.

-Er zijn zware en lichte atomen.

-De deeltjes trekken elkaar aan.

-De deeltjes bewegen altijd.

-(Alle atomen zijn ongeveer even groot.)

Alle stoffen bestaan uit deeltjes, atomen en moleculen. Moleculen zijn opgebouwd uit atomen.

De dichtheid van een stof wordt vooral bepaald door de massa’s van de atomen.

De dichtheid van een stof is de massa per volume eenheid. (cmᶟ of mᶟ)

Bij elastische vervorming krijgt het materiaal de oorspronkelijke vorm terug als er geen kracht meer werkt. Bij plastische vervorming is de vervorming blijvend.

De deeltjes van een materiaal blijven bij elkaar door de aantrekkende krachten tussen de deeltjes. De grootte van die krachten bepaalt de sterkte van het materiaal.

De spanning in een draad of stang is de uitgeoefende trekkracht per oppervlakte eenheid van de dwarsdoorsnede.

De treksterkte van een materiaal is de maximale spanning die het materiaal aankan.

Ԑ=∆L/L₀      Hierin is                    Ԑ = relatieve rek

                                                       ∆L = de uitrekking

                                                        L₀ = de beginlengte

                                               (Beide in zelfde eenheid)

De relatieve rek is de verhouding tussen de uitrekking en de beginlengte.

σ = F/A           Hierin is               σ = de spanning in Pa of N/m²

                                                       F = de kracht in N

                                                       A = oppervlakte dwarsdoorsnede in m²

De spanning in het materiaal de kracht per oppervlakte-eenheid, uitgedrukt in newton per vierkante meter of Pascal.

In een spanning-rek diagram wordt de relatieve rek van een materiaal weergegeven onder verschillende spanningen.

De treksterkte van een materiaal is de spanning van waaraf het materiaal blijvend vervormd is.

Het verband tussen spanning, elasticiteitsmodulus en relatieve rek wordt gegeven door:

                  Hierin is             E = elasticiteitsmodulus in Pa of N/m²

E=                          σ = spanning in Pa/m²

                               Ԑ = relatieve rek

Deze formule geldt alleen in het gebied waar de relatieve rek (bij benadering) evenredig is met de spanning. In dat gebied is sprake van elastische vervorming.

Bij veel materialen is de relatieve rek evenredig met de spanning bij elastische vervorming.

De elasticiteitsmodulus is de spanning die nodig is om het materiaal een relatieve rek te geven van 100%.

Hoe groter de bewegingsenergie van de deeltjes van een stof is, des te sneller bewegen die deeltjes en des te hoger is de temperatuur van die stof.

De soortelijke warmte geeft de energie aan die nodig is om 1kg van een stof 1K (of 1 °C) op te warmen.

Vormen van warmtetransport:

-Geleiding: Trillingen kunnen goed worden doorgegeven van deeltje naar deeltje.

-Stroming: Warme deeltjes worden door de koudere omgeving ‘opgetild’.

-Straling: Energie wordt met lichtsnelheid verzonden zonder tussenkomst van materie.

Hoe beter een metaal de elektrische stroom geleidt, des te beter geleidt het ook de warmte. Dat komt door de vrije elektronen in het materiaal.

Er zijn 3 fasen: Gas, vast en vloeibaar.

In een gas bewegen de deeltjes van een stof vrij door                        de ruimte en zitten ver uit elkaar.

In een vloeistof bewegen de deeltjes langs elkaar en zitten veel dichter bij elkaar dan een gas.

In een vaste stof trillen de deeltjes op hun vaste plaats en zitten dicht op elkaar.

De faseovergangen zijn:

Van vast naar vloeibaar: smelten

Van vast naar gas: sublimeren

Van vloeibaar naar vast: stollen

Van vloeibaar naar gas: verdampen

Van gas naar vast: rijpen

Van gas naar vloeibaar: condenseren

Q= c ∙ m ∙ ∆T

Hierin is:              Q = hoeveelheid warmte (energie) in Joule

                               c = de soortelijke warmte in J/(kg∙K of °C)

                               m = massa in kg

                               ∆T = de temperatuurstijging in K of °C

Vaste stoffen en vloeistoffen met ‘zware’ deeltjes hebben een grote dichtheid en een lage soortelijke warmte.

Voor veel vaste stoffen en vloeistoffen geldt: hoe groter de dichtheid des te kleiner is de soortelijke warmte.

P = λ·A·ΔT/d

Hierin is:              P = warmtestroom in W of J/s

                               λ = warmtegeleidingscoëfficiënt in W/(K∙m)

                               A = oppervlakte van de wand in m²

                               ΔT = temperatuurverschil in K of °C

                               d = dikte van de wand in m

Bij warmtetransport door een wand hangt de hoeveelheid energie die per seconde door die wand gaat, af van de oppervlakte, de dikte, het materiaal van de wand en het temperatuurverschil tussen beide kanten van de wand.

Glasvezels zijn sterk en buigzaam, met een zeer hoge treksterkte. Bovendien zijn ze onbrandbaar en bestand tegen hoge temperaturen. Wordt o.a. gebruikt om lichtsignalen voor telecommunicatie door te geven.

Legeringen zijn mengsels van metalen. Eerst worden ze gesmolten, daarna gemengd en daarna gestold. Dit wordt gedaan om de eigenschappen van de metalen te veranderen.

Een composiet is een materiaal dat is opgebouwd uit verschillende soorten materialen. Bekende voorbeelden zijn gewapend beton en triplex.

Bij biomaterialen onderscheiden we 2 soorten materialen. Allereerst gaat het om producten of voorwerpen die volledig gemaakt zijn van biologische producten, dus zonder gebruik te maken van metalen of kunststoffen. Deze biomaterialen zijn afbreekbaar en belasten het milieu minder. De term biomaterialen wordt bovendien gebruikt voor materialen die worden toegepast in levende organismen: vooral medische implantaten en prothesen, maar ook medisch gereedschap.