Temperatuur en warmte
Wat je zal leren:
Wat is temperatuur?
Wat is warmte?
Waarneembare en latente warmte
Hoe wordt warmte getransporteerd?
Wat is temperatuur?
Dagelijks gebruik
In het dagelijkse leven spreken we vaak over temperatuur: "Vandaag wordt het wel 30 °C!". Temperatuur is dus een maat om aan te geven hoe warm het is. Maar door dit taalgebruik ontstaan er vaak misvattingen, want temperatuur en warmte zijn niet hetzelfde.
Wat is temperatuur?
Temperatuur is een toestand van een voorwerp, net zoals bijvoorbeeld kleur. Denk bijvoorbeeld aan een blauwe schoendoos. Blauw is de toestand van de kleur van de doos. Deze blauwe toestand kan niet zomaar veranderen. Dit is ook zo voor de temperatuur. Temperatuur is een toestand waarin de doos zich bevindt en deze wordt uitgedrukt in Kelvin, de eenheid van temperatuur. De temperatuur van de doos kan niet zomaar veranderen. Om de temperatuur te veranderen heb je warmte nodig.
We kunnen de temperatuur nog beter beschrijven met behulp van het deeltjesmodel. Daarin wordt de temperatuur beschouwd als de gemiddelde snelheid van de deeltjes. Met behulp van het deeltjesmodel is het duidelijk dat de temperatuur een toestand is van een voorwerp.
Indien je niet vertrouwd bent met het deeltjesmodel kun je hieronder op de knop klikken.
Het deeltjesmodel is een model in de fysica waarbij verondersteld wordt dat materie (bv. een gas) bestaat uit zeer veel kleine deeltjes. Deze deeltjes worden vaak voorgesteld als bolletjes die kunnen bewegen. De temperatuur van de materie is dan een maat voor de gemiddelde snelheid van deze deeltjes.
Het deeltjesmodel
Het deeltjesmodel is een theorie in de fysica die het gedrag van stoffen verklaart. Klik op de knop hieronder om dit nog eens op te frissen.
De temperatuur van een voorwerp is dus een maat voor de gemiddelde snelheid van de deeltjes waaruit het opgebouwd is. Een gevolg hiervan is dat we de temperatuur kunnen meten. Het symbool T wordt gebruikt om de grootheid temperatuur aan te duiden. Helaas worden er veel eenheden gebruikt om de temperatuur uit te drukken. De SI-eenheid is Kelvin (K), in de Verenigde Staten spreekt men over graden Fahrenheit (°F) maar jij bent meer vertrouwd met de eenheid graden Celsius (°C). De temperatuursmetingen van de VLINDER weerstations zullen uitgedrukt worden in graden Celcius. Gelukkig is het omrekenen tussen de verschillende eenheden niet moeilijk. Als je de omzetting niet kent, zoek deze dan even op om de oefening hiernaast op te lossen.
Wat is warmte?
Warmte is een vorm van energie, net zoals mechanische energie, chemische energie, elektrische energie,... Warmte kan niet zomaar gemaakt worden uit het niets, warmte kan enkel voorkomen door een andere energievorm om te zetten naar warmte. Het toevoegen van warmte aan materie kan zorgen voor:
een toename van de temperatuur van de materie
het veranderen van de aggregatietoestand van de materie (bv. van een vaste toestand naar een vloeibare vorm)
Deze twee vormen van energieopname zijn verschillend en zijn beiden van groot belang voor het weer en klimaat. Warmte is dus geen eigenschap van een materiaal, en kan daarom niet rechtstreeks gemeten worden. De grootheid warmte wordt voorgesteld met de letter Q en de SI-eenheid is, net zoals voor energie, Joule (J).
Onder: Schematische voorstelling van inwendige energie.
Inwendige energie
Warmte is een vorm van energie die je toevoegt of onttrekt aan een voorwerp. Deze energie kan overgedragen worden van het ene voorwerp naar een ander voorwerp. Een voorwerp kan je zien als dagdagelijkse objecten zoals: een stoel, je hand, een boom, de aarde, ....
Aangezien warmte een vorm van energie is die van of naar een voorwerp gaat, is dit geen eigenschap van het voorwerp zelf. Het is dus fout om te zeggen dat een voorwerp warmte bezit.
We kunnen warmte ook beschrijven volgens het deeltjesmodel. Elk deeltje heeft een bepaalde inwendige energie, dit is de totale hoeveelheid energie die een deeltje bezit. Deze inwendige energie is gelijk aan de som van de kinetische-inwendige energie en de potentiële-inwendige energie van het deeltje.
We spreken steeds over de kinetische-inwendige en potentiële-inwendige energie, zodat het duidelijk is dat het gaat over de energie van een individueel deeltje.
Kinetische-inwendige energie
Aangezien de kinetische energie afhankelijk is van de snelheid van het deeltje, kan je stellen dat: hoe hoger de kinetische-inwendige energie van een deeltje, hoe hoger de temperatuur.
Potentiële-inwendige energie
De aggregatietoestand (vast, vloeibaar of gasvormig) van een stof wordt bepaald door de potentiële-inwendige energie van de deeltjes. In een stof waar de deeltjes dichtbij elkaar zitten, wordt elk deeltje aangetrokken door de naburige deeltjes. Het vergt dus energie om een deeltje weg te nemen uit zijn omgeving. De potentiële-inwendige energie drukt uit hoe vrij een deeltje zich kan bewegen. Deeltjes in een vloeistof zijn minder sterk gebonden dan de deeltjes in het rooster van een vaste stof, of dus een deeltje in een vloeistof bezit meer potentiële-inwendige energie dan in een vaste stof. Op dezelfde manier bezitten gasdeeltjes meer potentiële-inwendige energie dan vloeistofdeeltjes.
Een verandering in de potentiële-inwendige energie van de deeltjes zal daarom leiden tot een faseverandering.
Warmte
Warmte is de energie die je toevoegt (of onttrekt) aan de deeltjes, zodat hun inwendige energie gaat veranderen. Warmte toevoegen zal de inwendige energie van de deeltjes verhogen. Een stof heeft dan twee verschillende mogelijkheden om deze warmte op te nemen; ofwel zal de kinetische-inwendige energie toenemen, ofwel neemt de potentiële-inwendige energie toe. Dit is ook van toepassing wanneer warmte wordt onttrokken aan een stof.
Warmte die de kinetische-inwendige energie, en dus de temperatuur verandert, noemen we waarneembare warmte. Warmte die de potentiële-inwendige energie, en dus de aggregatietoestand verandert, noemen we latente warmte.
Belangrijk om te onthouden:
Temperatuur: Een eigenschap van een voorwerp die je kan meten met een thermometer. Temperatuur is niet gelijk aan warmte. Volgens het deeltjesmodel is de temperatuur een maat voor de gemiddelde snelheid van de deeltjes.
Warmte: Een vorm van energie die je kan toevoegen aan of onttrekken van een voorwerp en die tot een verandering van de inwendige energie van de deeltjes zal leiden.
Waarneembare warmte
Wanneer een hoeveelheid warmte (= energie) door een voorwerp wordt opgenomen, dan kan de temperatuur van dit voorwerp toenemen. De warmte wordt dus gebruikt om de temperatuur van het voorwerp te doen stijgen. De warmte die ervoor zorgt dat de temperatuur van een voorwerp verandert, noemen we waarneembare warmte.
Een voorbeeld van waarneembare warmte: Een pot met koud water wordt boven een vlam gehouden. De vlam zal warmte aan het water afgeven waardoor de temperatuur van het water zal stijgen.
Wanneer waarneembare warmte onttrokken wordt van een voorwerp, dan zal de temperatuur van het voorwerp dalen.
De fysica van waarneembare warmte
Wil je meer weten over de fysica van de waarneembare warmte? Klik dan op deze knop
Onder: Visualisatie van latente warmte nodig om van vloeibare naar gasvormige toestand te gaan.
Latente warmte
Warmte kan ook opgenomen worden door een voorwerp zonder dat de temperatuur stijgt. Dit klinkt een beetje gek, want waar gaat die warmte dan wel naar toe? Wel, de warmte wordt in dat geval gebruikt om de potentiële-inwendige energie van de deeltjes te veranderen.
Deze vorm van warmte wordt latente warmte genoemd. Latente warmte wilt eigenlijk 'verborgen warmte' zeggen. 'Verborgen' omdat het voorwerp geen temperatuursverandering ondergaat.
Wanneer de potentiële-inwendige energie van de deeltjes verandert, zal de aggregatietoestand van de stof veranderen. Daarom zal deze warmte het voorwerp van fase doen veranderen.
Bij een faseovergang gaat een stof van de ene aggregatietoestand over in een andere aggregatietoestand. Bij elke faseovergang speelt warmte een belangrijke rol. Bepaalde faseovergangen (vb: vloeistof -> gas) hebben een hoeveelheid warmte nodig om op te treden. De warmte die nodig is, wordt onttrokken aan de omgeving. Indien de faseovergang in de andere richting gebeurt (vb: gas -> vloeistof), zal er bij de faseverandering net warmte vrijkomen.
Een voorbeeld van latente warmte: Wanneer je uit de douche stapt, bevinden er zich kleine druppeltjes water op je huid. Deze druppeltjes zullen verdampen. Om water te laten verdampen naar waterdamp (= overgang vloeistof -> gas) is er warmte, meer bepaald latente warmte, nodig. Deze warmte wordt onttrokken aan je lichaam waardoor je lichaamstemperatuur afneemt. Hierdoor voelt het koel aan wanneer je uit de douche stapt.
De fysica van latente warmte
Wil je meer weten over de fysica van latente warmte? Klik dan op deze knop:
Twee voorbeelden om het verschil te illustreren.
Ijsblokjes in een glas water
Een ijsblokje in een glas water zal de temperatuur van het water doen dalen. Het ijsblokje doet dit door warmte te onttrekken van het water, waardoor het water afkoelt (waarneembare warmte). Deze warmte wordt overgedragen naar het ijsblokje en zal gebruikt worden om de temperatuur van het ijs tot de smelttemperatuur te brengen. Dit is duidelijk waarneembare warmte.
Eens het ijsblokje een temperatuur heeft van 0°C, zal het ijsblokje beginnen smelten. Bij deze faseovergang (ijs -> water) is opnieuw warmte nodig. Deze warmte is de latente warmte. Het ijsblokje onttrekt dus nog meer warmte van het water, waardoor het water verder blijft afkoelen. De temperatuur van het ijsblokje blijft gedurende het smeltproces ongewijzigd op 0°C.
Eens het ijsblokje volledig gesmolten is tot water, zal dit smeltwater (0°C) opwarmen tot deze een temperatuur bereikt gelijk aan de temperatuur van het water dat oorspronkelijk in het glas zat. De energie die hiervoor nodig is, wordt opnieuw onttrokken aan het water dat in het glas zat.
De warmte onttrokken in het water is steeds waarneembaar voor het water, want dit water ondergaat geen faseovergang.
De warmte opgenomen door het ijsblokje is eerst waarneembaar.
Eens het ijsblokje de smelttemperatuur heeft bereikt zal dit smelten, hiervoor is latente warmte nodig.
Eenmaal volledig gesmolten zal het smeltwater opwarmen tot de temperatuur van het aanwezige water en het smeltwater gelijk is.
Water koken
Het verschil tussen waarneembare warmte en latente warmte kan ook bestudeerd worden bij het koken van water. Wanneer we een pot water op het vuur zetten, wordt eerst alle warmte die de vlammen leveren opgenomen door het water als waarneembare warmte (want de temperatuur van het water stijgt). Zodra de temperatuur van het water 100°C bereikt, stopt het met opwarmen. De warmte van het vuur wordt nu niet meer opgenomen als waarneembare warmte maar als latente warmte. Het water zal deze warmte gebruiken om van fase te veranderen en te verdampen.
Transport van warmte
Om warmte over te brengen van de ene plek (met een hoge temperatuur) naar een andere plek (met een lagere temperatuur) is er transport van warmte nodig. Er bestaan drie manieren waarop warmte overgedragen kan worden.
Conductie
Conductie is het warmtetransport tussen 2 voorwerpen die in direct contact staan met elkaar. Warmte zal dan overgedragen worden van het voorwerp met de hoogste temperatuur naar het voorwerp met de lagere temperatuur. Hoe groter het temperatuursverschil, hoe sterker de conductie. Conductie wordt soms ook warmtegeleiding genoemd. De mate waarin conductie optreedt, is niet alleen afhankelijk van het temperatuursverschil maar ook van de conductiviteit van het materiaal. Een voorwerp met een grote conductiviteit zal gemakkelijk warmtetransport toelaten. Lucht heeft een zeer lage conductiviteit, waardoor lucht zeer moeilijk warmte kan transporteren via conductie. Dit is ook de reden waarom er in isolerend materiaal vaak luchtkamers voorzien zijn.
Convectie
Convectie is het warmtetransport ten gevolge van grootschalige bewegingen in het medium. Convectie treedt op in vloeistoffen of gassen, maar kan niet optreden in een vaste stof. Een voorbeeld hiervan is convectie in de atmosfeer. De temperatuur van lucht in contact met een warm oppervlak (bv. een akker die opgewarmd is door de zon) zal verhoogd zijn. Warme lucht heeft een lagere dichtheid en weegt dus minder. Hierdoor zal de warme lucht stijgen en zal er koudere (en dus zwaardere) lucht in de plaats komen. Deze zal op zijn beurt opwarmen, stijgen en vervangen worden. Er ontstaat op die manier een circulatiepatroon van lucht dat zal gepaard gaan met warmtetransport binnen de atmosfeer. In dit voorbeeld wordt er warmte van het oppervlak naar de hogere luchtlagen getransporteerd.
Straling
Elk voorwerp zendt elektromagnetische straling uit. De warmte die hierbij wordt getransporteerd in de vorm van warmtestraling is afhankelijk van de temperatuur van het voorwerp. Warmtetransport onder de vorm van straling is van groot belang voor het klimaat op aarde, we komen hier verder nog uitgebreid op terug.
Belangrijk om te onthouden:
Temperatuur is een maat voor de snelheid van de deeltjes waaruit het voorwerp is opgebouwd. Het is een eigenschap van een voorwerp en kan rechtstreeks gemeten worden.
Warmte is een vorm van energie. Deze warmte kan opgenomen worden als:
Waarneembare warmte: De warmte verandert de temperatuur van een voorwerp.
Latente warmte: De warmte verandert de fasetoestand van een stof.
Transport van warmte kent drie vormen: conductie, convectie en warmtestraling.
Figuren:
Waarneembare warmte:banner: http://explorecuriocity.org/Explore/ArticleId/4251/when-the-weatherman-refers-to-what-the-temperature-feels-like-what-does-this-mean-4251.aspxlantente warmte:https://courses.lumenlearning.com/cheminter/chapter/heats-of-fusion-and-solidification/banner: https://www.123rf.com/photo_28333442_ice-cubes-on-blue-background.htmlIjsblokjes:http://pluspng.com/ice-cubes-in-glass-png-9852.htmlWater koken:http://mentalfloss.com/article/60046/does-adding-salt-water-make-it-boil-soonerTransport van warmte:https://www.cradle-cfd.com/glossary/detail/0000000054https://www.ck12.org/section/Air-Movement-::of::-MS-Earth%E2%80%99s-Atmosphere/http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/ir_tutorial/what_is_ir.html