Warmte is energietransport
De warmte (Q)
WARMTE-ENERGIE TOEVOEGEN is de moleculen harder laten bewegen en/of de moleculen verder uit elkaar brengen.
WARMTE-ENERGIE TOEVOEGEN is de inwendige kinetische energie en/of de inwendige potentiële energie van een voorwerp verhogen.
WARMTE-ENERGIE WEGNEMEN is de moleculen minder laten bewegen en/of de moleculen dichter bij elkaar brengen.
WARMTE-ENERGIE WEGNEMEN is de inwendige kinetische energie en/of de inwendige potentiële energie van een voorwerp verlagen.
De tweede wet van de thermodynamica
Warmte-energie stroomt van een plaats met hogere temperatuur naar een plaats met lagere temperatuur.
Arbeid kan wel volledig in warmte worden omgezet. Omgekeerd kan warmte nooit volledig in arbeid worden omgezet. (Dit feit werd ontdekt bij de ontwikkeling van de stoommachine.)
GROOTHEID - WARMTE (synoniem: warmtehoeveelheid)
WARMTE (Q) is de hoeveelheid energie die uitgewisseld wordt tussen voorwerpen die een verschillende temperatuur hebben.
S.I.-EENHEID - JOULE
Een hoeveelheid warmte drukken we uit in joule (J).
TERMINOLOGIE
Als je warmte toevoegt (of wegneemt) en je ziet geen temperatuurverschil, dan spreek je van LATENTE WARMTE.
Als je warmte toevoegt (of wegneemt) en je ziet wél een temperatuurverschil, dan spreek je van MERKBARE WARMTE.
OEFENING
Als het glas 2000 J warmte-energie verliest, hoe groot is dan Qglas?
Als het ijs 2000 J warmte-energie krijgt, hoe groot is dan Qijs?
OPLOSSING
Qglas = - 2000 J → negatief want het glas verliest energie.
Qijs = + 2000 J → positief want het ijs krijgt energie.
OEFENING
Je steekt een warme pot aardappelpuree (53 °C) in een diepvriezer waarin de temperatuur van de lucht -18 °C is. Maak een schets van de warmtestroom.
(En waarom is dit geen goed idee?)
Slecht idee. Laat je puree eerst afkoelen tot kamertemperatuur (20 °C). Je puree van 53 °C zal immers veel meer energie fageven in de diepvriezer dan de afgekoelde puree. En je diepvriezer zal dan meer moeite moeten doen (en dus meer elektrische energie verbruiken) om terug zijn optimale temperatuur van 18 °C te bereiken.
Warmte en inwendige kinetische energie
Warmte toevoegen kan zorgen voor een temperatuurstijging. Je verhoogt dan de inwendige kinetische energie van het systeem.
Deze animated gif is best goed gemaakt. Hij toont hoe warmte toevoegen zorgt dat de kinetische energie van de moleculen toeneemt. Maar iets opwarmen zorgt ook voor een vergroting van het volume. De gif laat dus ook zien dat de potentiële energie is toegenomen want de moleculen zitten verder van elkaar.
Als je warmte-energie toevoegt aan vaste stoffen en vloeistoffen, gaat die voor meer dan 99% naar de stijging van de kinetische energie van de deeltjes. Bij een vloeistof of een gas is de toename van de inwendige potentiële energie verwaarloosbaar t.o.v. de toename van de inwendige kinetische energie.
Als er GEEN FASEOVERGANG plaatsvindt, dan mag je deze goede benadering gebruiken:
We zien een tempertuurverandering dus Q is hier merkbare warmte.
Warmte en inwendige potentiële energie
Steek je energie in een systeem en krijg je daardoor een faseovergang? Dan wordt die energie gebruikt om de moleculen verder uit elkaar te brengen. Je verhoogt dan de inwendige potentiële energie van het systeem.
Om 1 kg waterijs vloeibaar te maken, moet je 334 kJ toevoegen.
Als 1 kg vloeibaar water ijs wordt, dan krijgt de omgeving 334 kJ.
Om 1 kg water gasvormig te maken, moet je 2256 kJ toevoegen.
Als 1 kg waterdamp condenseert tot vloeistof, dan krijgt de omgeving 2256 kJ.
TIJDENS EEN FASEOVERGANG mag je deze goede benadering gebruiken:
We zien géén tempertuurverandering dus Q is hier latente warmte.
EXTRA - OVER ENERGIE TIJDENS HET KOOKPROCES
De bovenstaande formule is eigenlijk niet juist voor koken en condenseren. Tijdens het kookproces zal door gasvorming het volume (V) van een hoeveelheid stof veel groter worden terwijl er op die stof tegendruk werkt. De moleculen krijgen dus extra potentiële energie om van elkaar los te komen, maar ze verliezen ook meteen een stukje energie omdat ze "moeite doen" tegen de heersende druk (p) in.
Tijdens het kookproces geldt: Q = ΔEi,pot + pΔV
Warmte en inwendige energie
Een thermodynamisch systeem bezit inwendige kinetische energie en inwendige potentiële energie. Samen spreken we over de inwendig energie van het systeem.
TERMINOLOGIE - INWENDIGE ENERGIE
De inwendige energie (Ei) van een thermodynamisch systeem is de som van de inwendige kinetische energie en inwendige potentiële energie.
Warmte-energie toevoegen kan zowel de inwendige kinetische energie als de inwendige potentiële energie verhogen.
Warmtetransport
Er zijn drie manieren van warmtetransport:
warmtegeleiding of conductie
warmtestraling (d.i. infrarood straling)
warmtestroming of convectie
De air fryer verdeelt de warmte door WARMTESTROMING: lucht wordt verwarmd en daarna rondgeblazen.
Dit gloeiend hete metaal verliest zijn warmte voornamelijk door WARMTESTRALING (infrarood).
De steel van de pan wordt onrechtstreeks opgewarmd door WARMTEGELEIDING
WARMTESTROMING
WARMTESTRALING
WARMTEGELEIDING
De warmtebalans
Ik heb een steelpannetje waarin een metalen lepel staat. Ik giet heet water in het pannetje. Wat weet je dan over de warmtestroom als je even doet alsof er geen warmte verloren gaat aan de omgeving? (Dat noemen we een geïsoleerd systeem.)
Dit weten we.
Het water verliest warmte → Qwater < 0
De lepel krijg warmte → Qlepel > 0
De pan krijgt warmte → Qpan > 0
We hebben het over een geïsoleerd systeem dus gaat er geen warmte verloren aan de omgeving.
De warmte die het water verliest gaat volledig naar de pan en de lepel.
In een formule kunnen we dit dus zo noteren:
Qwater = - ( Qpan + Qlepel )
Of ook:
Qwater + Qpan + Qlepel = 0
WARMTEBALANS
Als n voorwerpen zich in een geïsoleerd systeem bevinden, dan geldt voor de warmtestroom:
Of met verkorte notatie:
De eerste wet van de thermodynamica
Energie kan niet verloren kan gaan. Energie kan nooit uit het niets kan ontstaan. Deze wet staat algemeen bekend als de "wet van behoud van energie". Er kunnen alleen omzettingen van energie plaatsvinden.
EXTRA OEFENINGEN
... VIND JE IN JE WERKBOEK.
Bijlagen
EXTRA - OVER INFRAROODSTRALING
Warmte-uitwisseling gebeurt o.a. door infrarood "licht" uit te stralen. (Je kan die "zien" met een infrarood camera.) De "kleur" infrarood straling hangt af van de temperatuur.
Hete objecten (bv. het oppervlak van de zon) zenden veel zgn. NABIJ INFRAROOD uit. Dat is infraroodstraling waarvan de energie niet veel verschilt van zichtbaar licht. Koele objecten (bv. een mens) zenden voornamelijk VER INFRAROOD uit. Dat is infraroodstraling waarvan de energie niet veel kleiner is dan die van zichtbaar licht.
EXTRA - OVER ISOLEREN
Het doorgeven van warmte kan je voor een groot deel voorkomen door een systeem te isoleren.
EXTRA - OVER DE KOELCYCLUS
Warmte stroomt van een plaats met een hoge temperatuur naar een plaats met een lage temperatuur. Daardoor koelen warmere plaatsen af en gaan koudere plaatsen opwarmen. Dat is een natuurlijk proces.
Maar koelkasten, diepvriezers, airconditioners ... doen het omgekeerde. Die maken koudere plaatsen nóg kouder en gaan de warmere plaatsen opwarmen. Dit is geen natuurlijk proces. Die machines gaan dus energie nodig hebben om dat gedaan te krijgen.
