Warmte (fysica)

Deel 4: Warmte
Hfdst. 8 Warmte en energie

1. Warmtehoeveelheid De temperatuur is een grootheid als maat voor de warmtegraad van een lichaam. Als een gemeenschappelijke temperatuur bereikt is zijn beide lichamen in thermisch evenwicht met elkaar. De eindtemperatuur zal ergens tussen de begintemperaturen gelegen zijn.

De hoeveelheid energie die van een lichaam overgaat naar een ander lichaam als gevolg van hun onderling temperatuursverschil, noemen we warmtehoeveelheid.

Warmte is een verschijningsvorm van energie gedurende het transport. Warmtehoeveelheid Q in joule J

2. Temperatuurverandering bij verwarmen De temperatuurstijging is recht evenredig met de toegevoegde warmtehoeveelheid. ΔT ~ Q

Voor de massa’s m, 2m, 3m,… vinden we na toevoegen van eenzelfde warmtehoeveelheid een temperatuurstijging ΔT, ΔT/2, ΔT/3,…. ΔT ~ 1/m

De temperatuurstijging na het toevoegen van eenzelfde warmtehoeveelheid is bij gelijke massa’s ook nog afhankelijk van de aard van de stof.

Besluit: ΔT ~ Q/m ΔT = k . Q/m Q = 1/k . m . ΔT Q = c . m . ΔT

! opm.: c = specifieke warmtecapaciteit [c] = [Q] / [m] . [ΔT] = J/kg.K = om 1kg van een stof een temperatuurstijging te geven van 1K, moet men xJ warmte toevoegen
Oefeningen:: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8. Inf.: Op hete kolen lopen!

3. Inwendige energie en warmte Bij de faseovergangen veroorzaakt de opgenomen warmtehoeveelheid een verandering van aggregatietoestand zonder temperatuurverandering. Warmte is dus niet hetzelfde als temperatuur!!!

Deeltjesmodel: - Vaste stof • Er zijn tussen de deeltjes sterke cohesiekrachten • Er is sterke ordening en de deeltjes hebben vaste buren • Elk deeltje trilt rond een welbepaalde evenwichtspositie - Vloeistof • Er zijn tussen de deeltjes nog steeds sterke cohesiekrachten • De deeltjes zijn minder geordend en hebben geen vaste buren meer • Elk deeltje heeft geen vaste plaats meer, maar is toch in zijn bewegingsvrijheid beperkt - Gas • De cohesiekrachten tussen de deeltjes zijn heel zwak • Elk deeltje heeft een grote bewegingsvrijheid zodat het zich vrij doorheen de beschikbare ruimte kan bewegen

Als gevolg van de plaats die een deeltje inneemt ten opzicht van zijn buren bezit het potentiële energie Ep. Omwille van de ingewikkelde wisselwerking tussen de deeltjes is de wiskundige uitdrukking voor Ep niet eenvoudig. Als gevolg van zijn beweging heeft een deeltje eveneens kinetische energie Ek. Ek = m . v2 / 2

De totale energie van een deeltje is gelijk aan de som van zijn kinetische en potentiële energie: Et = Ek + Ep

De energie van alle deeltjes samen wordt de inwendige energie U van een lichaam genoemd. Ze bestaat eveneens uit een kinetisch en een potentieel gedeelte: U = Uk + Up

Verandering van inwendige energie door warmte - Verandering van de inwendige kinetische energie - Verandering van de inwendige potentiële energie

Verandering van inwendige energie door arbeid

De inwendige energie van een lichaam kan gewijzigd worden: - Door warmtetoevoer of warmteafvoer met zijn omgeving - Door het leveren van arbeid door de omgeving op het lichaam of door het lichaam op zijn omgeving.

Inf.: Fysica in beeld
Oefeningen:: 11, 12. Inf.: Je lichaam: een intelligente warmtegenerator!

4. Bepalen van warmtehoeveelheden A calorimeter
beschrijving calorimeter
De warmtecapaciteit C van een lichaam en in het bijzonder van een calorimeter is de verhouding van de opgenomen warmtehoeveelheid Q tot de temperatuurstijging ΔT. C = Q/ ΔT [C] = [Q] / [ΔT] = J / K

De warmteopname of –afgifte door de calorimeter wordt: Q = C . ΔT

B bepaling van het thermisch evenwicht
proef!

Oefeningen:: 14, 15, 17, 19 + 20, 21 (=taak!).

5. Vormen van energietransport A energietransport door warmtegeleiding

Warmtegeleiding is die vorm van energietransport tussen onderscheiden delen van eenzelfde lichaam en op verschillende temperaturen , zonder merkbare verplaatsing van materie.

• Warmtegeleiding bij vaste stoffen. Energie plant zich voort met een eindige snelheid. Bij een metalen staaf plant de energie zich heel vlug voort; bij een glazen staaf gebeurt dit uiterst langzaam.

• Warmte geleiding bij vloeistoffen. Het energietransport door warmtegeleiding is bij vloeistoffen zeer moeilijk. Uitzonderingen hierop zijn kwik en gesmolten metalen.

• Warmtegeleiding bij gassen. Lucht, en meer algemeen alle gassen, zijn zeer slechte warmtegeleiders.

Verklaring: - Vaste stoffen • Slechte warmtegeleiders • Goede warmtegeleiders - Vloeistoffen - Gassen

Toepassingen:

Besluit: - goede geleiders: Metalen + kwik - slechte geleiders of isolatoren: niet-metalen, gassen + glas, plastic, isomo (piepschuim), rubber,…

Oefeningen:: 23, 25, 28, 31.

B energietransport door convectie (stroming) Convectie is die vorm van energietransport tussen onderscheiden delen van eenzelfde lichaam op verschillende temperaturen, met merkbare verplaatsing van materie.  Kan enkel bij fluïda (vloeistoffen & gassen)

• Convectie bij vloeistoffen
Bij vloeistoffen gebeurt het energietransport hoofdzakelijk door convectie! • Convectie bij gassen
Bij gassen gebeurt het energietransport hoofdzakelijk door convectie!

Verklaring: Door verwarming vermindert de massadichtheid van de onderste lagen waardoor ze opstijgen. Ze worden vervangen door koudere lagen die op hun beurt verwarmd worden, opstijgen, enz. Op deze manier kan energie vlug getransporteerd worden.

Toepassingen: - Centrale verwarming - Verwarming van lokalen

Oefeningen:: 34, 36.

C energietransport door straling
Straling is die vorm van energietransport tussen lichamen op verschillende temperaturen zonder tussenkomst van materie. We hebben hier te maken met een vorm van energieoverdracht zonder tussenkomst van de materie, want het glas tussen de hand en de energiebron is koud gebleven. Na uitschakeling van geleiding en convectie blijft er nog steeds energieoverdracht bestaan, zelfs wanneer er tussen beide energie uitwisselende lichamen een luchtledige ruimte bestaat. Deze vorm van energieoverdracht noemen we straling.

• Energie, door een lichaam uitgestraald
Energie, uitgestraald door een lichaam, is afhankelijk van de aard van het oppervlak. Donkere, doffe lichamen stralen gemakkelijk energie uit; blinkende, helder gekleurde, moeilijker. • Energie, door een lichaam geabsorbeerd
De opgenomen energie is afhankelijk van de aard van de materie van het bestraalde oppervlak. Donkere, doffe lichamen absorberen best; blinkende, licht gekleurde minder. • Energie, door een lichaam weerkaatst en doorgelaten. Volkomen zwarte lichamen = stoffen die de invallende straling volledig absorberen -athermane stoffen: hierbij wordt de stralingsenergie in geringe mate doorgelaten (bv metalen) -diathermane stoffen: hierbij wordt de stralingsenergie volledig of bijna volledig doorgelaten (bv zuivere lucht, ijs en glas)

Oefeningen:: 37, 40, 41. Inf.: Het broeikaseffect

Hfdst. 9 Faseovergangen Aggregatietoestanden: vaste, vloeibare en gasvormige fase  Hangt af van de temperatuur: Door warmte op te nemen of af te geven kan een stof van aggregatietoestand veranderen: ze ondergaat een faseovergang. De warmte waardoor een faseovergang ontstaat, heet latende warmte of overgangswarmte.

1. Smelten en stollen  Iedere zuivere stof bij voldoende temperatuurverhoging zal smelten, mits er geen scheikundige ontbinding plaats grijpt  Iedere zuivere stof onder een bepaalde druk een welbepaalde smelt- en stoltemperatuur heeft. Onder smelt- en stoltemperatuur bij normtoestand verstaan we die temperatuur waarbij de zuivere stof onder een druk van 101 325 Pa het smeltings- of stollingsverschijnsel vertoont  Smelt- en stoltemperatuur gelijk zijn als de druk dezelfde is  Tijdens het smelten en het stollen de temperatuur constant blijft  Een stof die smelt, warmte opneemt (smeltingswarmte); een stoft die stolt warmte afgeeft (stollingswarmte)

A soortelijke smeltingswarmte
De specifieke of soortelijke smeltingswarmte ls van een stof is de verhouding van de bij de smelttemperatuur opgenomen warmtehoeveelheid tot de hierdoor gesmolten massa van de stof. ls = Q/m
soortelijke smeltingswarmte ls in joule per kilogram J/kg

De warmtehoeveelheid, nodig om een massa m van een stof te doen smelten, is dan: Q = ls . m

Oefeningen:: 5, 7, 9, 10.

C verandering van volume en massadichtheid bij smelten of stollen
In de meeste gevallen treedt bij het stollen een volumevermindering op. Omgekeerd zal bij het smelten het volume toenemen. De massadichtheid van de vaste stof is in deze gevallen groter dan de massadichtheid van de vloeistof. ! opm.: Een belangrijke uitzondering op deze regel vormt water. Het volume van een bepaalde massa water bij het smeltpunt is kleiner dan het volume van dezelfde massa ijs en de massadichtheid van ijs is dus kleiner dan de massadichtheid van water.

Oefeningen:: 13, 16. Inf.: fysica in beeld

D invloed van de druk op de smelttemperatuur & smeltlijn
De druk heeft invloed op de smelttemperatuur. De smelttemperatuur van ijs verlaagt bij verhoging van de druk. Verdwijnt de overdruk, dan wordt de oorspronkelijke waarde van de smelttemperatuur opnieuw aangenomen. (proef van Tyndall!)

IJs vormt eigenlijk een belangrijke uitzondering op de volgende regel: Bij een drukverhoging stijgt de smelttemperatuur.

Verklaring: Proef van Tyndall: We hangen metalen massa’s aan een zeer dunne staaldraad over een nat ijsblok dat met zijn twee uiteinden ondersteund is. De draad zakt geleidelijk door het ijs, het ijsblok blijft echter een geheel. (smelttemperatuur daalt) Het ijs heeft bij de proef een Celsiustemperatuur van 0°C. De dunne draad oefent op het bovenste laagje ijs een grote druk uit waardoor het smelt. De draad zakt even in het water tot op het volgende laagje ijs. Het bovenliggende laagje water s van de hoge druk bevrijd en kan door de omringende, koude ijslagen opnieuw in ijs omgezet worden. De stollingswarmte, die hiertoe uit het water moet vrijkomen, vloeit door de warmtegeleidende metaaldraad naar de ijslaag er onder en doet deze op haar beurt smelten, enz. Geleidelijk zakt de draad doorheen het ijs en bevriezen de waterlaagjes er boven telkens terug: het ijsblok blijft heel en na verloop van tijd is de draad helemaal door het ijs gegaan.

Algemeen: - Bij stoffen, die in volume toenemen bij het smelten, neemt de smelttemperatuur toe bij toename van de druk - Bij stoffen, die tijdens het smelten in volume afnemen, neemt de smelttemperatuur af bij verhoging van de uitwendige druk (water).

! Opm.: de smeltpuntverhoging of –verlaging onder invloed van de druk is klein!

2. Verdampen en condenseren Verdamping aan het vrije vloeistofoppervlak  Onder invloed van: - Aard van de vloeistof - Temperatuur - Beweging gaslagen boven de vloeistof - Oppervlakte van het vrij vloeistofoppervlak - Druk gas boven de vloeistof

A verdamping in het luchtledige
Naarmate de hoeveelheid vloeistof, die in een gesloten ruimte verdampt, toeneemt, neemt de dampdruk toe tot hij een maximale waarde bereikt heeft. Deze waarde heet de maximum dampdruk of verzadigingsdruk pmax. Laat men verder vloeistof in de ruimte komen, dan verdampt ze niet meer. Men zegt, dat de ruimte boven deze vloeistof met damp verzadigd is.  De verzadigingsdruk van een vloeistof is afhankelijk van de aard van de stof!

Een verzadigde damp is een damp die de verzadigingsdruk uitoefent. Een onverzadigde damp heeft een druk, die lager is dan de verzadigingsdruk. Is de damp onverzadigd, dan kan er geen vloeistof samen met haar damp in de beschouwde ruimte aanwezig zijn.

B verband tussen druk en absolute temperatuur bij dampen
Een onverzadigde damp voldoet benaderend aan de wet van Regnault: p/T = Cte. Een verzadigde damp voldoet niet aan deze wet.  Wet van Regnault (isochoor proces). p/T= Cte p1/T1 = p2/T2  De grafische voorstelling van de verzadigingsdruk als functie van de temperatuur noemen we de maximale dampdruklijn of dampspanningslijn. Des te hoger de dampspanningslijn ligt, naargelang de stof vluchtiger is.

Als het onderscheid tussen vloeistoffase en dampvormige fase wegvalt dan is de gemiddelde afstand tussen de deeltjes in de twee fasen dezelfde. Het heeft geen zin meer om van vloeistof en damp te spreken. De temperatuur waarbij dit verschijnsel zich voordoet, wordt de kritische temperatuur Tk genoemd. Boven deze temperatuur kunnen vloeistoffen en damp niet naast elkaar bestaan. Boven deze temperatuur is de ruimte met een homogene stof gevuld. We spreken dan van een gas.

C energiebeschouwingen
HB 204-205!!! Een onverzadigde damp bevat steeds hetzelfde aantal deeltjes en voldoet aan de gaswetten: de druk stijgt lineair met de temperatuur. In een verzadigde dampt echter neemt het aantal deeltjes toe met stijgende temperatuur. Hieruit volgt dat de verzadigingsdruk vlugger dan lineair met de temperatuur stijgt.

Oefeningen:: 26.

E het kookverschijnsel
Lezen HB 208!

Oefeningen:: 29, 30, 31, 32, 33.

F soortelijke verdampingswarmte
Er is warmte nodig om een stof van de vloeibare naar de gasvormige toestand te doen overgaan. Ze dient om de cohesiekrachten tussen de vloeistofdeeltjes te overwinnen en om de volumevermeerdering bij de overgang van vloeistof naar damp te bekomen. Deze warmte wordt verdampingswarmte genoemd. Bij het condenseren van de damp komt deze warmte weer vrij: het is de condensatiewarmte.

De specifieke of soortelijke verdampingswarmte lv van een stof is de verhouding van de bij de kooktemperatuur opgenomen warmtehoeveelheid tot de hierdoor verdampte massa van de stof. lv = Q/m
specifieke of soortelijke verdampingswarmte lv in joule per kilogram J/kg

Ze geeft de warmtehoeveelheid aan die nodig is om de eenheidsmassa van de stof bij de kooktemperatuur te doen verdampen.

De warmtehoeveelheid, nodig om bij de kooktemperatuur een massa m van een stof te doen verdampen, is dan: Q = lv . m

Oefeningen:: 38, 41, 42.