Hoofdstuk 6 Warmte Warmte Introductie opdracht Zoek op

Hoofdstuk 6 Warmte

Warmte

Introductie opdracht Zoek op en beschrijf: • wat warmte is • wat temperatuur is Doel: je moet het verschil tussen warmte en temperatuur uit kunnen leggen. Zoek op en beschrijf: • de drie vormen van warmtetransport • bij iedere vorm van warmtetransport voorbeeld uit de praktijk Doel: je moet de drie vormen van warmtetransport kunnen benoemen, en deze uit kunnen leggen m. b. v. een praktijkvoorbeeld.

Warmtetransport Warm voorwerp Koud voorwerp Warmte (energie) Straling en/of stroming en/of geleiding

Warmtetransport Warmte energie kan op drie manieren getransporteerd worden: 1. Straling 2. Stroming Warmtetransport 3. Geleiding

Warmtetransport: 3 vormen Straling: Warmtetransport zonder tussenstof (medium) Stroming: Warmte energie wordt ‘’meegedragen’’ met een gas of vloeistof. Geleiding: Warmteoverdracht in een vaste stof

Warmtetransport: 3 vormen Stroming Geleiding Straling

Geleiders en isolatoren In een goede geleider verplaatst warmte zich gemakkelijk/snel. In een isolator verplaatst warmte (energie) zich niet of nauwelijks Metalen zijn goede warmtegeleiders. Voorbeelden van warmte-isolatoren zijn lucht, rubber, plastic.

Isoleren Er zijn drie manieren om warmtetransport tegen te gaan: 1. Stroming tegengaan 2. Geleiding tegengaan 3. Straling tegengaan

Isoleren Je kunt warmte-transport door stroming tegengaan door: - De tussenstof weg te halen (thermosfles) - De ruimtes klein genoeg houden, zodat weinig stroming kan optreden

Isoleren Je kunt warmte-transport door geleiding tegengaan door isolerende tussenstoffen te gebruiken.

Isoleren Je kunt warmte-transport door straling tegengaan door spiegelende oppervlakken te gebruiken, de warmtestraling wordt gereflecteerd.

Opdracht • Bedenk een onderzoek om te bepalen hoeveel energie moet worden toegevoegd om het water één graad Celcius in temperatuur te laten stijgen met een dompelaar. • Voer het onderzoek (met bijbehorende berekeningen) uit. • Bedenk welke mankementen jouw onderzoek heeft. Hoe kan het beter?

Temperatuur Het absolute nulpunt, Hele lage temperatuur, Lagere temperatuur, Hoge temperatuur, snellere moleculen staan stil! langzamere moleculen langzame moleculen 0 K Noot: in werkelijkheid is dit niet met een vloeistofthermometer te meten!

Warmte ≠ temperatuur Er wordt warmte energie toegevoegd d. m. v. verbranding De warmte energie wordt omgezet in bewegingsenergie: de moleculen gaan sneller bewegen T neemt toe Er gaat geen energie verloren!!!

Verwarmen water Warmte wordt omgezet tijdens: Warmte wordt verbruikt voor: - Verhogen temperatuur - Fase-overgangen Energie wordt niet ‘’verbruikt’’ energie wordt omgezet in een andere vorm

Energie Eenheid: Joule (J) Symbool: E Energie De mogelijkheid om iets te veranderen.

Energie Wet van behoud van energie: - De totale hoeveelheid aanwezige energie blijft gelijk - Energie kan worden omgezet van de ene in de andere vorm Wet van behoud van energie

Welke energie omzetting?

Welke energie omzetting?

Welke energie omzetting?

Verwarmingselement / dompelaar Pel = 2400 W = 2400 J/s Elektrische energie warmte (energie) Als de waterkoker 400 s aan staat wordt er 2400 · 400 = 960. 000 = 9, 6· 105 J aan warmte afgegeven (Q = P · t) aan het water.

Voorwerpen verwarmen Temperatuurstijging van een voorwerp 7 ∆T (°C) 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 Q (k. J) 6 7 8 9 Er is een rechtevenredig verband tussen de toegevoegde energie en de temperatuurstijging.

Warmtecapaciteit Eenheid: Joule per Kelvin (J/K) OF Joule per graad Celcius (J/°C) Symbool: C Warmtecapaciteit De hoeveelheid energie die nodig is om een voorwerp in zijn geheel 1 Kelvin (= 1 °C) te verwarmen.

Rendement: De hoeveelheid (percentage) nuttig gebruikte energie, t. o. v. het totaal. In een auto is energie nuttig wanneer deze wordt omgezet in beweging η = 25%

Opdracht: lasagne verwarmen Een elektrische oven (2500 W) verwarmt een lasagne. In onderstaand T, t-diagram is zichtbaar hoe dit proces plaatsvindt. De lasagne moet veertig minuten in de oven staan. Het rendement van de oven is 63%. Temperatuur (°C) a. Hoeveel energie gaat er ‘’verloren’’? En waar gaat deze warmte naar toe? b. Bereken de warmtecapaciteit van de lasagne. Opwarmen lasagne 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 Tijd (min) 30 40 50

Opdracht: Cola koudzetten Je haalt een fles cola uit de kelder (14° C) en zet hem in de koelkast (5°C). De colafles met inhoud heeft als geheel een warmtecapaciteit van 1440 J/K. a. Bereken hoeveel energie er aan de cola onttrokken is. Als je de cola uit de koelkast haalt zal deze weer opwarmen. b. Leg uit waarom een blikje cola langer koud blijft dan een fles.

Warmtecapaciteit / soortelijke warmte De warmtecapaciteit C is de hoeveelheid energie die nodig is om een voorwerp in zijn geheel 1 K in temperatuur te laten stijgen. De soortelijke warmte c van een stof is de warmte (energie) die nodig is om 1 kg van die stof 1 K in temperatuur te laten stijgen.

Soortelijke warmte Symbool: c Soortelijke warmte Eenheid: Joule per kilogram Kelvin (J/(kg·K)) OF Joule per kilogram graden Celcius (J/(kg·°C)) De hoeveelheid energie die nodig is om één kilogram van een voorwerp 1 Kelvin (= 1 °C) te verwarmen.

Oefenvraag: waterkoker Een waterkoker met daarin 0, 78 liter water wordt aangesloten op het stroomnet. Er loopt een stroom van 3 Ampère door de waterkoker. De begintemperatuur van het water is 18, 5°C. Bereken hoe lang de waterkoker aan moet staan. Tip: gebruik je kennis over elektriciteit en dichtheid om deze vraag te beantwoorden.

Stappenplan oefenvraag vorige dia P = U·I t = Q/P cwater Q = m·c·ΔT m = ρ·V

Oefenvraag: melk opwarmen Je verwarmt een pan met 1, 5 liter melk. Melk heeft een dichtheid van 1, 03 kg/L. Je wilt de melk verwarmen van 20°C tot 35°C. Hiervoor wordt in totaal 2, 1· 105 J aan energie omgezet via het gasfornuis. a. Bereken het rendement van de energie omzetting. b. Leg uit waar het merendeel van de warmte naartoe zal gaan.

Warmte Eenheid: Joule (J) Symbool: Q Warmte Energie die toegevoerd of afgenomen kan worden

Water De soortelijke warmte (c) van water is heel erg groot (4, 2· 103 J/kg. K). Er is dus veel energie nodig om 1 kg water 1°C op te warmen.

Beginsel van Black Het beginsel van Black is de wet van behoud van energie toegepast op warmte-uitwisselingen. De totale hoeveelheid warmte (Qtotaal) blijft hierbij gelijk (er gaat geen warmte verloren).

Beginsel van Black Als er warmte overgaat van voorwerp A naar voorwerp B, dan is de door A afgestane hoeveelheid warmte gelijk aan de door B opgenomen hoeveelheid warmte. Situatie: - 2 even grote blokjes van hetzelfde materiaal worden tegen elkaar aan gehouden. - Blokje 1 heeft een begintemperatuur van 60°C - Blokje 2 heeft een begintemperatuur van 20°C

Beginsel van Black De totale hoeveelheid warmte (Qtotaal) blijft hierbij gelijk (er gaat geen warmte verloren). Voorbeeld: Je schenkt 25 c. L kokend water (T = 100°C) in een beker. De temperatuur van het water daalt naar 75°C, en daalt vervolgens niet meer. Bereken de warmtecapaciteit van de beker. Het water daalt in temperatuur: Qaf De beker stijgt in temperatuur: Qop

Beginsel van Black Gegeven Water: Beker: V = 0, 25 L c = 4, 2· 103 J/(kg·°C) Tbegin = 100°C Teind = 75°C Tbegin = kamertemperatuur = 20°C Teind = 75°C Gevraagd: Cbeker Oplossing:

Beginsel van Black Gegeven Water: Beker: V = 0, 25 L c = 4, 2· 103 J/(kg·°C) Twater, begin = 100°C Twater, eind = 75°C Tbeker, begin = kamertemperatuur = 20°C Tbeker, eind = 75°C Gevraagd: Cbeker Oplossing:

Beginsel van Black

Uitwerking: Vraag 45

Uitwerking: Vraag 46 a Er is 80 Joule nodig om deze vloeistof 1°C in temperatuur te laten stijgen

Uitwerking: Vraag 46 b Er is 80 Joule nodig om deze vloeistof 1°C in temperatuur te laten stijgen

Uitwerking: Vraag 47

Uitwerking: Vraag 48 Gegevens uit diagram gehaald: pak 1 punt op de grafiek.

Vraag 49 a

Uitwerking: Vraag 49 b

Uitwerking: Vraag 50 Het rendement is 98% van de energie wordt omgezet in warmte

Uitwerking: Vraag 51 b Het rendement is 5% 95% van de energie wordt omgezet in warmte

Uitwerking: Vraag 53 (1) Je wilt t weten. Je gaat dan kijken met welke formule je t kunt bereken. Dit is ‘’Q=P·t’’. Je weet P al, dus je moet aan Q zien te komen. Dit kan via ‘’Q = C·ΔT’’

Uitwerking: Vraag 53 (2) Je hebt nu Q als extra gegeven.

Uitwerking: Vraag 55 (1) Dit is de warmte die wordt toegevoegd aan de alcohol. Dit is 95% van de totale energie de dompelaar produceert. Dit is de totale hoeveelheid energie de dompelaar produceert.

Uitwerking: Vraag 55 (2) Je hebt nu Q als extra gegeven.

Uitwerking: Vraag 64

Uitwerking: Vraag 66 Soortelijke warmte water: getal kennen!

Uitwerking: Vraag 67

Uitwerking: Vraag 68 Eerst berekenen hoeveel warmte toegevoegd wordt aan de alcohol, daarna berekenen hoe lang de dompelaar daarover doet.

Uitwerking: Vraag 69 a Eerst de massa van het water berekenen. Daarna kun je Q berekenen met ‘’Q = m·c·ΔT’’:

Uitwerking: Vraag 69 c