Isaac-fysica 3 D-1 Module 2 Energietransport, warmte en temperatuur

6.1Smelten en stollen 24 6.1.1Smelten 24 6.1.2Stollen 25 6.2Verdampen en condenseren 26 6.2.1Verdampen 26 6.2.2Condenseren 28 6.3Sublimeren en desublimeren 30 6.3.1Sublimeren 30 6.3.2Desublimeren 31

De ijsberg versus de kop koffie

Een kopje koffie in de ochtend is voor velen onder ons geen onbekende. Deze kop koffie wordt vaak als lekker warm (= hoge thermische energie) beschouwd. Een ijsberg daarentegen zouden we toch eerder als koud (= lage thermische energie) bestempelen. Maar schijn kan bedriegen of hoe fysische terminologie in de volksmond nog wel eens verkeerd gebruikt wordt.

Scan de QR-code, leerhet verschil tussen thermische energie (warmte-energie) en temperatuur en kom te weten welke van de twee de meeste thermische energie bezit: de ijsberg of de kop koffie.

1Thermische energie en temperatuur

In module 1 ‘Energieomzettingen’ hebben we gezien dat energie in verschillende vormen voorkomt: chemische energie, elektrische energie, thermische energie, stralingsenergie, enz.

In deze module bekijken we de thermische energie naderbij en verdiepen we ons in de thermodynamica of warmteleer. Dit deel van de natuurkunde bestudeert de interacties tussen deeltjes op macroscopisch niveau.

De grootheden thermische energie, warmte en temperatuur spelen hierin een cruciale rol. We bekijken die even naderbij.

We bestuderen eerst de grootheden thermische energie en temperatuur.

Thermische energie is een vorm van energie, ook wel warmte-energie genoemd.

De thermische energie is de totale bewegingsenergie van de structurele elementen (atomen, moleculen, …) van een systeem.

Hoe heftiger moleculen bewegen, hoe verder ze zich van elkaar bevinden, hoe hoger hun totale inwendige energie. Maar er geldt natuurlijk ook: hoe meer structurele elementen een systeem bezit, hoe groter zijn thermische energie.

Dit is ook het geval bij heel koude objecten zoals een ijsberg. Aangezien de temperatuur van een ijsberg een stuk hoger is dan het absolute nulpunt (0 K) en een ijsberg een heel grote massa heeft, bezit deze dus heel wat thermische energie.

Temperatuur is een maat voor het trillen van de atomen of moleculen.

Als twee systemen dezelfde temperatuur hebben, dan zijn deze in thermisch evenwicht.

Warmte en temperatuur hebben veel met elkaar te maken, maar warmte is niet hetzelfde als temperatuur. Als warmte aan een systeem wordt toegevoegd, dan neemt de temperatuur toe. We zeggen dan dat een warmte Q, ook wel warmtehoeveelheid genoemd, is toegevoegd aan het systeem.

We definiëren warmte dus als volgt:

Warmte is de hoeveelheid energie die uitgewisseld wordt tussen twee voorwerpen ten gevolge van een temperatuurverschil.

Die warmte uitwisseling gebeurt niet zomaar.

Warmte wordt uitgewisseld tussen systemen die niet in thermisch evenwicht zijn. Die uitwisseling van thermische energie tussen systemen met een verschillende temperatuur, gebeurt steeds van het systeem met de hogere temperatuur naar het systeem met de lagere temperatuur.

GROOTHEID

EENHEID

GROOTHEID EENHEID

De eenheid joule is de SI-eenheid van energie, genoemd naar de Engelse natuurkundige James Prescott Joule (1818 – 1889).

Voor temperatuur zijn er verschillende eenheden. In de wetenschap gebruiken we kelvin en graden Celsius.

De eenheid kelvin werd genoemd naar de Engelse natuurkundige William Thomson (1824 – 1907), die later in de adelstand werd verheven als Lord Kelvin.

De eenheid graden Celsius is genoemd naar de Zweedse astronoom Anders Celsius (1701 – 1744).

WIST-JE-DAT

Voor een temperatuur in kelvin gebruiken we niet het woordje ‘graden’. We zeggen niet 300 graden kelvin, maar 300 kelvin. We noteren dat als 300 K. Als we deze temperatuur in graden Celsius geven, dan wordt dat 27 graden Celsius (27 °C)

De laagst mogelijke temperatuur is 273,15°C . Dat is het absolute nulpunt. De absolute temperatuur T heeft als nulpunt 0K = 273,15°C

Eén schaaldeel op de kelvinschaal is even groot als één schaaldeel op de Celsiusschaal.

–273 °C 0 K

0 °C 273 K

θ T

We ronden het absolute nulpunt 273,15°C meestal af tot 273°C

We kunnen de temperatuur in °C gemakkelijk omrekenen naar de temperatuur in K. Dit doen we als volgt:

T = θ + 273 (in K) θ = T 273 (in °C)

Absolute nulpunt –273 0 Smeltpunt water 0 273 Kamertemperatuur 20 293 Kookpunt water 100 373

Aangezien één schaaldeel op de kelvinschaal even groot is als één schaaldeel op de Celsiusschaal, is een temperatuurverandering in °C altijd even groot als de overeenkomstige temperatuurverandering in K. Δθ = ΔT

Voorbeeld

Een stof warmt op van 20 °C tot 50 °C. Zijn temperatuurverandering bedraagt dan: Δθ = θ2 θ1 = 50°C 20°C = 30°C

Noteren we de temperatuur van deze stof in kelvin, dan krijgen we:

ΔT = T2 T1 = 323K 293K = 30K

Dit is een heel belangrijk gegeven voor wat volgt.

2Fasetoestanden en deeltjesmodel

Zoals we net zagen, houdt warmte-energie dus verband met de inwendige energie van een stof. Deze inwendige energie hangt dan weer samen met de fase van de stof. We bekijken dit alles even naderbij.

Een stof kan zich in vaste, vloeibare en gasvormige toestand bevinden. Deze fasen kunnen we ons het beste voorstellen aan de hand van het deeltjesmodel.

2.1Vaste fase

In een vaste stof zijn de aantrekkingskrachten tussen de verschillende deeltjes van de stof groot. Deze aantrekkingskrachten tussen deeltjes van dezelfde soort noemen we cohesiekrachten.

De atomen zitten op een vaste plaats en kunnen amper bewegen. Als de temperatuur toeneemt, gaan ze wel heftiger trillen en gaan ze wat verder uit elkaar zitten.

Vaste stof bij lage temperatuur

• atomen trillen een beetje • atomen op vaste posities

Vaste stof bij hogere temperatuur

• atomen trillen heftiger • de ruimte tussen de atomen is toegenomen • de atomen trillen nog steeds rond een vaste positie

In een model worden de atomen soms voorgesteld als bollen die door middel van veren met elkaar verbonden zijn.

De atomen in een vaste stof zitten dus op een vaste plaats en trillen een beetje heen en weer. Alleen bij het absolute nulpunt, 0 K, staan ze helemaal stil. De absolute temperatuur is een maat voor hun beweging.

Neon in vaste toestand

Zuurstof in vaste toestand

Wil je zelf eens de vaste toestand van neon, argon, zuurstof of water bekijken? Scan dan de QR-code hiernaast.

Wat gebeurt er met deze stoffen bij 0 K? Noteer.

2.2Vloeibare fase

In een vloeibare toestand zitten de deeltjes nog dicht bij elkaar, maar ze hebben geen vaste plaats meer. Ze kunnen vrij langs elkaar heen bewegen. Vloeistoffen zijn daardoor beweeglijker dan vaste stoffen. Als de temperatuur van een vloeistof toeneemt, dan gaan de atomen (of moleculen) sneller door elkaar bewegen en verder uit elkaar zitten.

De vloeistof in een thermometer zet uit als de temperatuur toeneemt

Vloeistof bij lage temperatuur

Vloeistof bij hogere temperatuur

Een model voor vloeistoffen is om deze te vergelijken met een potje knikkers die over elkaar kunnen rollen.

Neon in vloeibare toestand

Zuurstof in vloeibare toestand

Scan de QR-code hiernaast en bekijk zelf de vloeibare toestand van neon, argon, zuurstof of water.

Wat gebeurt er als de temperatuur toeneemt? Noteer.

2.3Gasvormige fase

In een gas is de krachtwerking tussen de verschillende deeltjes klein. De atomen (of moleculen) zijn heel beweeglijk en bewegen los van elkaar, met verschillende snelheden, kriskras door elkaar. Aangezien de deeltjes elk een andere snelheid hebben, wordt de gemiddelde inwendige kinetische energie van de deeltjes als referentie genomen voor de bewegingsenergie.

We bekijken opnieuw even neon en zuurstof.

Neon in gasvormige toestand

Zuurstof in gasvormige toestand

Scan de QR-code hiernaast en bekijk zelf de gasvormige toestand van neon, argon, zuurstof of water.

Vergelijk de snelheid van de verschillende deeltjes en kijk wat er gebeurt bij een botsing. Noteer.

Wat gebeurt er als de temperatuur toeneemt? Noteer.

WIST-JE-DAT

Als een gas geïoniseerd wordt, dan wordt het gas een plasma. Plasma wordt vaak de vierde fasetoestand, waarin materie zich kan bevinden, genoemd. In deze fasetoestand zijn de deeltjes van een gas dus enigszins geïoniseerd.

In de gasfase heeft elk atoom evenveel positief en negatief geladen deeltjes. De positieve lading bevindt zich in de kern en de elektronen, die rond de kern bewegen, dragen de negatieve lading. Zo is elk atoom in zijn totaliteit neutraal.

In een plasma zijn sommige atomen (of moleculen) één of meerdere elektronen kwijtgeraakt, dit kan door een temperatuursverhoging of door andere toegevoegde energievormen. Deze toestand van het atoom (of molecule) noemt men geïoniseerd. Die vrije elektronen bewegen zich vrij door de ruimte. Er moeten voldoende atomen (of moleculen) geïoniseerd zijn om van een plasma te kunnen spreken. Bij een plasma is het elektrisch karakter van het gas veranderd. Dit zien we duidelijk in deze plasmabol, misschien hebben jullie er zo wel eentje op jullie kamer. Maar we kennen plasma ook van neonverlichting en de bliksem.

Bovendien bestaat 99 % van de massa in het heelal uit plasma. Zo komt ook in de Melkweg heel wat plasma voor.

Misschien nog een leuk weetje: de naam plasma is afgeleid van de naam ‘bloedplasma’. Dit is de vloeistof die overblijft nadat de vaste deeltjes uit het bloed verwijderd zijn.

In plaats van fase wordt ook wel het begrip aggregatietoestand gebruikt om de fase aan te duiden.

Wij beperken ons verder tot de drie fasetoestanden: vast, vloeibaar en gas. vast vloeibaar gas

De fase van de stof hangt samen met de inwendige energie van de stof.

3De inwendige energie

De inwendige energie Einw is de som van alle vormen van energie die inwendig in het systeem aanwezig zijn, dus de som van de bewegingsenergie van de deeltjes (atomen of moleculen) en van de bindingsenergie.

De inwendige kinetische energie

In een stof bewegen de deeltjes met een bepaalde snelheid. De snelheid van de deeltjes onderling is verschillend. Om een beeld te krijgen van hun bewegingsenergie moeten we dus de gemiddelde inwendige kinetische energie bekijken. Als de temperatuur van een systeem toeneemt, neemt de inwendige kinetische energie van de deeltjes toe, dus ook hun gemiddelde inwendige kinetische energie. De absolute temperatuur is een maat voor de gemiddelde inwendige kinetische energie. Bij 0 K is er geen beweging meer van de atomen (of moleculen) en is de inwendige kinetische energie van de deeltjes nul.

De inwendige potentiële energie

Tussen de deeltjes van een stof heersen er cohesiekrachten. Deze geven de stof inwendige potentiële energie en bepalen zo de toestand waarin de stof zich bevindt. De inwendige potentiële energie van de deeltjes stijgt als de afstand tussen de deeltjes stijgt. Hoe verder de deeltjes uit elkaar zitten, hoe groter hun inwendige potentiële energie. Tijdens een faseovergang moet dus de inwendige potentiële energie wijzigen.

Atomen hebben een haat-liefde verhouding met elkaar. Atomen trekken elkaar aan als ze op een kleine afstand van elkaar zitten, maar als ze te dicht bij elkaar komen, stoten ze elkaar af. Probeer dit zelf maar eens uit in de applet. Scan hiervoor de QR-code.

WIST-JE-DAT

4Warmteoverdracht

Nu we de inwendige structuur van de materie en de daaraan gekoppelde energieën beter begrijpen, komen we terug op de begrippen warmte en temperatuur en bekijken we warmteoverdracht naderbij.

We weten al dat twee systemen met dezelfde temperatuur in thermisch evenwicht zijn en dat tussen systemen die niet in thermisch evenwicht zijn warmte wordt uitgewisseld.

Twee systemen met dezelfde temperatuur zijn in thermisch evenwicht Tussen systemen die niet in thermisch evenwicht zijn, wordt warmte uitgewisseld.

Die uitwisseling van thermische energie tussen systemen met een verschillende temperatuur gebeurt van het systeem met de hogere temperatuur naar het systeem met de lagere temperatuur.

De hoeveelheid thermische energie die wordt uitgewisseld, noemen we warmtehoeveelheid of kortweg warmte

Twee kubussen naast elkaar

Twee kubussen die tegen elkaar liggen

De twee kubussen hebben dezelfde temperatuur

WarmKoud Warmteoverdracht van de warme kubus naar de koude kubus

De atomen in de warme kubus hebben een hoge inwendige kinetische energie

De atomen in de koude kubus hebben een lage inwendige kinetische energie

De inwendige kinetische energie van de atomen in de warme kubus neemt af

De inwendige kinetische energie van de atomen in de koude kubus neemt toe

De warmteoverdracht is gestopt

De inwendige kinetische energie heeft zich verspreid over het geheel van de twee kubussen

Warm Koud warmteoverdracht

Deze uitwisseling van warmte kan in principe op drie manieren gebeuren:

1 Door geleiding

2 Door straling

3 Door stroming stroming

geleiding

Geleiding (conductie)

Deze warmteoverdracht gebeurt binnen de stof. Hierbij stroomt warmte-energie van deeltjes met een hogere inwendige kinetische energie naar deeltjes met minder inwendige kinetische energie. De warmte-energie stroomt dus van de deeltjes met een hoge temperatuur naar de deeltjes met een lage temperatuur. Eigenlijk is het de trillingsenergie van de deeltjes die wordt doorgegeven, de deeltjes zelf blijven op dezelfde plaats. De thermische geleidbaarheid van de stof en het temperatuurverschil over een afstand bepalen de warmtestroom. Metaal geleidt de warmte goed, hout daarentegen niet.

Straling (radiatie)

Bij straling gebeurt de warmteoverdracht tussen twee lichamen die niet met elkaar in aanraking zijn en zonder gebruik te maken van een middenstof. Het warme lichaam geeft elektromagnetische straling af en verliest zo dus warmte-energie. Het andere lichaam absorbeert deze elektromagnetische straling deels of volledig en warmt zo op. Hier is dus geen contact met de warmtebron nodig, de warmteoverdracht kan zelfs in vacuüm gebeuren. Het duidelijkste voorbeeld is de zon: je kan de warmte van de zon voelen op aarde, alhoewel de zon heel ver weg is en van ons gescheiden is door een hele zone vacuüm.

straling

Eigenlijk geven alle lichamen warmtestraling af. Hoe hoger hun temperatuur, hoe meer warmtestraling. Onderstaande beelden werden genomen met een infraroodcamera. Hierbij duiden de blauwe tinten koudere zones aan, terwijl de gele tot rode tinten de warmere zones weergeven.

Stroming (convectie)

Bij stroming gebeurt de warmteoverdracht door verplaatsing van een warm gas of warme vloeistof, of van een koud gas of koude vloeistof. De warmte verplaatst zich door stroming. Een voor de hand liggend voorbeeld is een radiator, die warmt de lucht rondom zich op. Doordat warme lucht stijgt en koude lucht daalt, krijg je stroming.

Kruis bij onderstaande voorbeelden aan hoe de warmteoverdracht gebeurt.

Het zand op het strand is warm van de zon.

Je wil een pan van het vuur nemen en verbrandt daarbij jouw vingers.

In een waterkoker zit een metalen weerstand, het verwarmingselement. Op welke manier gebeurt de warmteoverdracht daarin?

Je kijkt naar de BBQ. Het ziet er allemaal lekker uit, maar je voelt ook de warmte.

In de kamer is het behoorlijk warm. Als je echter naast de kat op de mat gaat zitten, lijkt het kouder.

Je wil een lekker korstje op de ovenschotel en zet hem even in de oven onder de grill.

STRALINGGELEIDINGSTROMING

Radiator

Bij warm weer ben je blij dat je jouw drankje kan afkoelen met ijsblokjes.

Het is zalig om samen rond een kampvuur te zitten, en lekker warm.

Met de nieuwe airco is het lekker fris in de kamer.

Tijdens het smeden wordt dit stuk metaal snel warm.

5Merkbare en latente warmte

Als thermische energie of warmte-energie wordt toegevoegd of onttrokken aan een stof, dan zijn er, naargelang de toestand waarin de stof zich bevindt, twee mogelijkheden.

De warmte kan ervoor zorgen dat de temperatuur van de stof verandert of de warmte kan ervoor zorgen dat de aggregatietoestand (fase) van de stof verandert. Naargelang het effect van de toegevoegde of onttrokken warmte-energie krijgt de warmte ook een andere benaming.

Merkbare warmte heeft een temperatuurverandering tot gevolg.

Latente warmte heeft een verandering van aggregatietoestand tot gevolg, zonder dat daarbij een temperatuurverandering plaatsvindt.

Indien er geen thermisch evenwicht is in een systeem, gebeurt er een uitwisseling van warmte-energie in het systeem om tot thermisch evenwicht te komen. Die warmte kan merkbare en/of latente warmte zijn.

We bekijken even een paar voorbeelden.

Voorbeeld 1

Heet water wordt in een koude theepot gegoten en de pot wordt op tafel gezet.

De watermoleculen hebben een hoge temperatuur en trillen dus heel heftig. Ze hebben een hoge gemiddelde inwendige kinetische energie. Die energie wordt doorgegeven aan de theepot-deeltjes en vervolgens ook aan de luchtmoleculen in de kamer. Dit proces duurt tot de gemiddelde inwendige kinetische energie van alle deeltjes gelijk is, met andere woorden: tot de temperatuur van alle deeltjes dezelfde is en er thermisch evenwicht heerst.

De warmte die toegevoegd werd, noemen we merkbare warmte.

Merkbare warmte heeft een temperatuurverandering tot gevolg.

Merkbare warmte is warmte die zorgt voor een verandering van de temperatuur van een stof.

Voorbeeld 2

Het is warm buiten en je hebt zin in een fris drankje. Je giet wat limonade in een glas en doet er een aantal ijsblokjes bij die je uit de diepvriezer (–18 °C) haalt.

Na een tijdje zijn de ijsblokjes verdwenen uit je drankje. Ze zijn gesmolten en vloeibaar water geworden. Ze hebben er gelukkig ook wel voor gezorgd dat jouw drankje een aantal graden koeler is geworden.

De warme limonade heeft ervoor gezorgd dat de ijsblokjes gesmolten zijn en dat ze ook dezelfde temperatuur hebben gekregen als jouw drankje.

De warmte van de limonade heeft dus niet alleen de temperatuur van de ijsblokjes veranderd, maar heeft ook de aggregatietoestand van de ijsblokjes veranderd. Ze waren eerst in vaste toestand en zijn vloeibaar geworden. De warmte die voor de verandering van aggregatietoestand heeft gezorgd, noemen we latente warmte. Daarnaast heeft ook een deel van de warmte een temperatuurverandering tot gevolg gehad. Die warmte noemen we ook hier merkbare warmte.

Latente warmte heeft geen temperatuurverandering tot gevolg, maar wel een verandering van aggregatietoestand.

Latente warmte is de warmte die zorgt voor een faseovergang van een stof, zonder dat er een temperatuurverandering optreedt.

We bekijken hieronder nog even de verschillende faseovergangen. Welke faseovergang er gebeurt, is afhankelijk van de druk en de temperatuur van een stof.

6Faseovergangen

Als een stof van fase verandert, dan spreken we van een faseovergang. Tussen de drie fasen zijn er zes faseovergangen mogelijk:

1 Overgang van vaste fase naar vloeibare fase: smelten

2 Overgang van vloeibare fase naar vaste fase: stollen

3 Overgang van vloeibare fase naar gasvormige fase: verdampen

4 Overgang van gasvormige fase naar vloeibare fase: condenseren

5 Overgang van vaste fase naar gasvormige fase: sublimeren

6 Overgang van gasvormige fase naar vaste fase: desublimeren

verdampencondenseren sublimerendesublimeren

gas smelten

Wil je deze faseovergangen al eens van dichtbij in werking zien? Scan dan de QR-code. vloeibaar vast

stollen

Herken je de faseovergang die gebeurd is op volgende afbeelding? Noteer.

FASEOVERGANG

De warmte die zorgt voor de faseovergang is dus latente warmte.

We bekijken hieronder de verschillende faseovergangen naderbij. We beperken ons hierbij tot een zuivere stof.

6.1Smelten en stollen

6.1.1Smelten

De overgang van vaste fase naar vloeibare fase noemen we smelten. Ondertussen weten we dat de deeltjes in een vaste stof op een vaste plaats zitten in het rooster en daar trillen. Als er warmte-energie wordt toegevoegd, neemt de trillingsenergie toe en komen de deeltjes verder van elkaar te zitten. De temperatuur stijgt dus en de stof zet uit. Zowel de inwendige kinetische energie als de inwendige potentiële energie nemen dus toe.

Op een bepaald moment bewegen de deeltjes zo snel en zijn ze zo ver van elkaar verwijderd dat de cohesiekrachten ze niet meer bij elkaar kunnen houden in het rooster. De stof heeft haar smeltpunt bereikt en smelt. Tijdens het smelten wordt alle toegevoegde warmte-energie gebruikt om de inwendige potentiële energie van de stof te verhogen. De inwendige kinetische energie van de deeltjes neemt niet meer toe en de temperatuur blijft dus constant. Alle warmteenergie die het systeem opneemt tijdens het smelten dient om de aggregatietoestand te veranderen, dus om de deeltjes van het rooster los te maken.

De warmte die toegevoegd wordt tijdens het smelten is latente warmte.

T

Tsmeltpunt

vloeistof

vaste stof en vloeistof komen samen voor

vaste stof smelten begintsmelten compleet t

Op de y-as van deze grafiek staat de temperatuur, op de x-as staat de tijd. Naarmate de tijd verstrijkt, wordt er meer warmte toegevoegd. We zouden op de x-as dus ook de warmte Q kunnen noteren.

Smelten gebeurt bij het smeltpunt.

Bij die temperatuur gaat de stof over van vaste naar vloeibare fase.

Tijdens het smelten blijft de temperatuur constant en komt de stof tegelijkertijd in vloeibare en vaste fase voor.

Het smeltpunt verschilt van stof tot stof en is afhankelijk van de druk. Dit beeld toont wat er gebeurt bij atmosferische druk.

6.1.2Stollen

De overgang van vloeibare naar vaste fase noemen we stollen. Tijdens het stollen gebeurt het omgekeerde proces als tijdens het smelten. Als er warmte-energie onttrokken wordt, neemt de trillingsenergie af en komen de deeltjes dichter bij elkaar te zitten. De temperatuur neemt af en de stof krimpt. Zowel de inwendige kinetische energie als de inwendige potentiële energie nemen dus af.

Op een bepaald moment bewegen de deeltjes zo traag en zijn ze zo dicht bij elkaar dat ze zich gaan ordenen in een rooster. De stof heeft haar stolpunt bereikt en stolt. Tijdens het stollen wordt alle onttrokken warmte-energie gebruikt om de inwendige potentiële energie van de stof te verlagen. De inwendige kinetische energie daalt niet meer en de temperatuur blijft constant. Alle warmte-energie die aan het systeem onttrokken wordt, zorgt voor een verandering van de aggregatietoestand.

De warmte onttrokken tijdens het stollen is latente warmte.

Er moet evenveel warmte onttrokken worden om een stof te laten stollen als dat er warmte nodig is om dezelfde stof te laten smelten.

WIST-JE-DAT

Bij nachtelijk vriesweer in het voorjaar worden de pas gevormde, fragiele bloesems van onder andere fruitbomen besproeid met water. Het water stolt en er een ontstaat een ijslaag rond de bloesems, die een beschermlaag geeft aan de bloesems. Tijdens het stollen komt er warmte vrij en blijft de temperatuur van de bloesems rond de 0 °C. Een temperatuur die niet gevaarlijk is voor de bloesems. T Tstolpunt

vloeistof

vaste stof en vloeistof komen samen voor

vaste stof

stollen begintstollen is compleet t

Op de y-as van deze grafiek staat de temperatuur, op de x-as staat de tijd. Naarmate de tijd verstrijkt, wordt er meer warmte onttrokken. We zouden op de x-as dus ook de warmte Q kunnen noteren.

Stollen gebeurt bij het stolpunt.

Bij die temperatuur gaat de stof over van vloeibare fase naar vaste fase.

Tijdens het stollen blijft de temperatuur constant en komt de stof tegelijkertijd in vloeibare en vaste fase voor.

Het stolpunt verschilt van stof tot stof en is afhankelijk van de druk. Dit beeld toont wat er gebeurt bij atmosferische druk.

Voor een zuivere stof zijn smeltpunt en stolpunt gelijk.

Een stof kan enkel op het smeltpunt/stolpunt tegelijk in vaste en vloeibare toestand voorkomen.

De warmte die nodig is om een stof te laten smelten is even groot als de warmte die onttrokken wordt tijdens het stollen.

6.2Verdampen

6.2.1Verdampen

en condenseren

De overgang van vloeibare fase naar gasvormige fase noemen we verdampen. In de vloeibare fase rollen de deeltjes over elkaar. Als er warmte wordt toegevoegd, neemt de inwendige energie van de deeltjes toe en komen de deeltjes verder van elkaar te zitten. De temperatuur stijgt dus en de stof zet uit. Zowel de inwendige kinetische energie als de inwendige potentiële energie nemen dus toe.

Af en toe krijgt een deeltje genoeg inwendige kinetische energie om zich los te maken van de vloeistof en verdampt. Evengoed kan zo’n verdampt deeltje, na botsing met een luchtdeeltje, terug in de vloeistof terecht komen en condenseren. Pas als de temperatuur hoog genoeg is, gaan er voldoende deeltjes genoeg inwendige kinetische energie hebben om de vloeistof te verlaten. De stof heeft dan haar kookpunt bereikt en verdampt.

Verdampen Koken

Tijdens het verdampen wordt alle toegevoegde warmte-energie gebruikt om de inwendige potentiële energie van de stof te verhogen. De inwendige kinetische energie van de deeltjes

neemt niet meer toe en de temperatuur blijft constant. Alle warmte-energie die het systeem opneemt tijdens het verdampen dient om de aggregatietoestand te veranderen, dus om de deeltjes uit de vloeistof los te maken.

De warmte die toegevoegd wordt tijdens het verdampen is latente warmte. T

gas

vloeistof

verdampen begintverdampen is compleet t

Op de y-as van deze grafiek staat de temperatuur, op de x-as staat de tijd. Naarmate de tijd verstrijkt, wordt er meer warmte toegevoegd. We zouden op de x-as dus ook de warmte Q kunnen noteren.

Verdampen gebeurt bij het kookpunt.

Bij die temperatuur gaat de stof over van vloeibare fase naar gasvormige fase.

Tijdens het verdampen blijft de temperatuur constant en komt de stof tegelijkertijd in vloeibare en gasvormige fase voor.

Het kookpunt verschilt van stof tot stof en is afhankelijk van de druk. Dit beeld toont wat er gebeurt bij atmosferische druk.

WIST-JE-DAT

Wij houden onze lichaamstemperatuur op peil door te zweten. Door de verdamping van lichaamsvocht koelen we af. Als honden te warm hebben, dan gebruiken ze hun tong om af te koelen. De belangrijkste manier waarop een hond zijn warmte kwijtraakt, is door te hijgen met de tong uit de bek.

Tkookpunt

vloeistof en gas komen samen voor

WIST-JE-DAT

Het leidenfrost effect

Zou jij jouw hand onderdompelen in vloeibaar lood? Scan de QR-code en bekijk het filmpje.

Dit filmpje illustreert het leidenfrost effect. Ga naar de miniwebsite als je meer over het leidenfrost effect wil leren.

6.2.2Condenseren

De overgang van gasvormige fase naar vloeibare fase noemen we condenseren. Tijdens het condenseren gebeurt het omgekeerde proces als tijdens het verdampen. Als er warmte-energie onttrokken wordt, neemt de bewegingsenergie af en komen de deeltjes dichter bij elkaar te zitten. Zowel de inwendige kinetische energie als de inwendige potentiële energie nemen dus af.

Op een bepaald moment bewegen de deeltjes zo traag en zijn ze zo dicht bij elkaar, dat ze terugkeren naar een vloeistof. De stof heeft haar kookpunt bereikt en condenseert. Tijdens het condenseren wordt alle onttrokken warmte-energie gebruikt om de inwendige potentiële energie van de stof te verlagen. De inwendige kinetische energie van de deeltjes daalt niet meer en de temperatuur blijft constant. Alle warmte-energie die aan het systeem onttrokken wordt, zorgt voor een verandering van de aggregatietoestand.

De warmte die onttrokken wordt tijdens het condenseren is latente warmte.

Er moet evenveel warmte onttrokken worden om een stof te laten condenseren als dat er warmte nodig is om dezelfde stof te laten verdampen.

WIST-JE-DAT

Melk of chocolademelk wordt vaak opgewarmd door er stoom door te laten gaan. De latente warmte die de stoom laat condenseren zorgt dan voor de opwarming van de melk. Tijdens dit proces verandert ook de textuur van de melk. We spreken van het opschuimen van melk.

WIST-JE-DAT

Een condensatieketel maakt gebruik van de opgewekte warme rookgassen om water voor te verwarmen. Meer weten over de werking van een condensatieketel? Scan dan de QR-code en bekijk het filmpje.

Tkookpunt

vloeistof en gas komen samen voor gas

vloeistof

condenseren begintcondenseren is compleet t

Op de y-as van deze grafiek staat de temperatuur, op de x-as staat de tijd. Naarmate de tijd verstrijkt, wordt er meer warmte onttrokken. We zouden op de x-as dus ook de warmte Q kunnen noteren.

Condenseren gebeurt bij het kookpunt.

Bij die temperatuur gaat de stof over van gasvormige fase naar vloeibare fase.

Tijdens het condenseren blijft de temperatuur constant en komt de stof tegelijkertijd in vloeibare en gasvormige fase voor.

Het kookpunt verschilt van stof tot stof en is afhankelijk van de druk. Dit beeld toont wat er gebeurt bij atmosferische druk.

Een stof kan enkel op het kookpunt tegelijk in gasvormige en vloeibare toestand voorkomen.

De warmte die nodig is om een stof te laten verdampen is even groot als de warmte die onttrokken wordt tijdens het condenseren.

6.3Sublimeren en desublimeren

6.3.1Sublimeren

De overgang van vaste fase naar gasvormige fase noemen we sublimeren. In de vaste fase zitten de deeltjes op een vaste plaats in het rooster en trillen daar ter plaatse. Als er warmte-energie toegevoegd wordt, neemt de inwendige kinetische energie van de deeltjes toe en komen ze verder van elkaar te zitten. De temperatuur stijgt dus en de stof zet uit. Zowel de inwendige kinetische energie als de inwendige potentiële energie nemen dus toe.

Af en toe krijgt een deeltje genoeg inwendige energie om zich los te maken van het rooster en sublimeert. De stof heeft dan haar sublimatiepunt bereikt en sublimeert.

Sublimatie van droogijs (vaste vorm van CO2 )

Tijdens het sublimeren wordt alle toegevoegde warmte-energie gebruikt om de inwendige potentiële energie van de stof te verhogen. De inwendige kinetische energie van de deeltjes neemt niet meer toe en de temperatuur blijft constant. Alle warmte-energie die het systeem opneemt tijdens het sublimeren dient om de aggregatietoestand te veranderen, dus om de deeltjes uit de vaste stof los te maken.

De warmte die toegevoegd wordt tijdens het sublimeren is latente warmte. T

Tsublimatiepunt

vaste stof en gas komen samen voor gas vaste stof

sublimeren begintsublimeren is compleet t

Op de y-as van deze grafiek staat de temperatuur, op de x-as staat de tijd. Naarmate de tijd verstrijkt, wordt er meer warmte toegevoegd. We zouden op de x-as dus ook de warmte Q kunnen noteren.

Sublimeren gebeurt bij het sublimatiepunt.

Bij die temperatuur gaat de stof over van vaste fase naar gasvormige fase.

Tijdens het sublimeren blijft de temperatuur constant en komt de stof tegelijkertijd in vaste en gasvormige fase voor.

Het sublimatiepunt verschilt van stof tot stof en is afhankelijk van de druk. Dit beeld toont wat er gebeurt bij atmosferische druk.

6.3.2Desublimeren

De overgang van gasvormige fase naar vaste fase noemen we desublimeren. Tijdens het desublimeren gebeurt het omgekeerde proces als tijdens het sublimeren. Als er warmte-energie wordt onttrokken, neemt de bewegingsenergie af en komen de deeltjes dichter bij elkaar te zitten. Zowel de inwendige kinetische energie als de inwendige potentiële energie nemen dus af.

Op een bepaald moment bewegen de deeltjes zo traag en zijn ze zo dicht bij elkaar dat ze terugkeren naar een vaste stof. De stof heeft haar sublimatiepunt bereikt en desublimeert. Tijdens het desublimeren wordt alle onttrokken warmte-energie gebruikt om de inwendige potentiële energie van de stof te verlagen. De inwendige kinetische energie van de deeltjes daalt niet meer en de temperatuur blijft constant. Alle warmte-energie die aan het systeem onttrokken wordt tijdens het desublimeren, zorgt voor een verandering van de aggregatietoestand.

De warmte die onttrokken wordt tijdens het desublimeren is latente warmte.

Er moet evenveel warmte onttrokken worden om een stof te laten desublimeren als dat er warmte nodig is om dezelfde stof te laten sublimeren.

T

Tsublimatiepunt

gas en vaste stof komen samen voor gas vaste stof

desublimeren begintdesublimeren is compleet t

Op de y-as van deze grafiek staat de temperatuur, op de x-as staat de tijd. Naarmate de tijd verstrijkt, wordt er meer warmte onttrokken. We zouden op de x-as dus ook de warmte Q kunnen noteren.

Desublimeren gebeurt bij het sublimatiepunt.

Bij die temperatuur gaat de stof over van gasvormige fase naar vaste fase.

Tijdens het desublimeren blijft de temperatuur constant en komt de stof tegelijkertijd in vaste en gasvormige fase voor.

Het sublimatiepunt verschilt van stof tot stof en is afhankelijk van de druk.

Een stof kan enkel op het sublimatiepunt tegelijk in gasvormige en vaste toestand voorkomen.

De warmte die nodig is om een stof te laten sublimeren is even groot als de warmte die onttrokken wordt tijdens het desublimeren.

7Warmtebalans

Bij het proces om tot thermisch evenwicht te komen, moet de wet van energiebehoud steeds gerespecteerd worden.

In module 1 ‘Energieomzettingen’ zagen we reeds de wet van energiebehoud.

Laten we deze wet van energiebehoud kort herhalen:

De totale energie in een geïsoleerd systeem blijft altijd constant.

In het geval van warmte uitwisseling zal een warmtebalans dit energiebehoud garanderen.

Deze ziet er dan als volgt uit:

In een geïsoleerd systeem is de som van de uitgewisselde warmtehoeveelheden gelijk aan nul.

Q1 + Q2 + Q3 + ... = 0

Hierbij zijn de warmtehoeveelheden die het systeem opneemt positief en de warmtehoeveelheden die het systeem afgeeft negatief.

Voorbeeld 1

Nemen we bijvoorbeeld het voorbeeld van de ijsblokjes in het zomers drankje. Hierbij gaan de ijsblokjes warmte opnemen en zal het drankje warmte afgeven. De warmte die door het drankje afgegeven wordt, wordt door de ijsblokjes opgenomen.

We gaan dit in de oefeningen als volgt noteren:

Voorbeeld: ijsblokjes smelten in een zomers drankje

KOUD

ijsblokjes

WARM

zomers drankje

Neemt warmte op Geeft warmte af

• Is er sprake van merkbare warmte? Ja, de temperatuur van de ijsblokjes verandert.

• Hoe kunnen we deze merkbare warmte voorstellen?

Qmerkbaarijsblokje

• Is deze warmtehoeveelheid positief of negatief? Positief

• Is er sprake van latente warmte? Ja, de ijsblokjes smelten.

• Hoe kunnen we deze latente warmte voorstellen?

Qlatentijsblokje

• Is deze warmtehoeveelheid positief of negatief? Positief

De warmtebalans zegt nu dat:

• Is er sprake van merkbare warmte? Ja, de temperatuur van het zomers drankje verandert.

• Hoe kunnen we deze merkbare warmte voorstellen? Qmerkbaardrankje

• Is deze warmtehoeveelheid positief of negatief? Negatief

• Is er sprake van latente warmte? Neen, niet bij het zomers drankje, de fase van het drankje verandert niet.

Qmerkbaarijsblokje + Qlatentijsblokje + Qmerkbaardrankje = 0

Deze redenering kunnen we voor elk voorbeeld volgen.

Voorbeeld 2

Een mama heeft in de tuin een zwembad geïnstalleerd voor haar twee dochters. De temperatuur van het water bedraagt 16 °C, wat de meisjes veel te koud vinden. Daarom beslist de mama om een paar emmers heet water van 60 °C bij het zwembadwater te gieten, in de hoop om zo de temperatuur van het water aangenaam te maken voor haar dochters.

Voorbeeld: zwembad bijvullen met warm water

KOUD

WARM

koud water in zwembad warm water

Neemt warmte op Geeft warmte af

• Is er sprake van merkbare warmte? Ja, de temperatuur van het koude water neemt toe.

• Hoe kunnen we deze merkbare warmte voorstellen?

Qmerkbaarkoudwater

• Is deze warmtehoeveelheid positief of negatief? Positief

• Is er sprake van latente warmte? Neen, de fase van het water blijft dezelfde.

Qmerkbaarkoudwater + Qmerkbaarwarmwater = 0

De specifieke warmtecapaciteit

• Is er sprake van merkbare warmte? Ja, de temperatuur van het warm water daalt.

• Hoe kunnen we deze merkbare warmte voorstellen?

Qmerkbaarwarmwater

• Is deze warmtehoeveelheid positief of negatief? Negatief

• Is er sprake van latente warmte? Neen, de fase van het water blijft dezelfde.

Hoeveel warmte er nodig is om de temperatuur van 1 kg van een stof met 1 °C te laten toenemen, is sterk afhankelijk van de stof.

Zo heeft water veel warmte nodig om in temperatuur te stijgen en goud bijvoorbeeld heel weinig.

Het omgekeerde geldt natuurlijk ook, water kan veel warmte afgeven voordat het 1 °C of 1 K in temperatuur daalt. Goud kan daarentegen maar heel weinig warmte afgeven.

De specifieke warmtecapaciteit geeft deze eigenschap van de stof weer.

GROOTHEID EENHEID

NAAM SYMBOOL NAAM SYMBOOL specifieke warmtecapaciteit c joule kilogram kelvin of joule kilogram gradenCelsius

J kg ⋅ K of J kg °C In de tabel hieronder vinden jullie de specifieke warmtecapaciteit van een aantal stoffen.

SPECIFIEKE WARMTECAPACITEIT J kg °C VASTE STOFFEN c VLOEISTOFFEN c aluminium 900 ammoniak 4818 baksteen 840 butaan 1720 beton 840 glycerine 2420 gietijzer 530 koelmiddel (MEG) 3591 glas 837 kwik 140 goud 129 olie 2000 graniet 820 propaan 2540 grind 840 water (15 °C) 4186 hout 1880 GASSEN c V (bij constant volume) c p (bij constante druk) ijs 2200 argon 313 520 ijzer 448 helium 3123 5196 koper 386 koolstofdioxide 650 / kurk 1760 lucht 721 1008 lood 128 stikstof N2 742 1036 rubber 1470 waterdamp 1410 2080 zand (droog) zand (nat) 1600 1800 waterstof H2 100 102 143 102 zilver 234 zuurstof O2 658 918

We bekijken even een aantal voorbeelden uit het dagelijks leven.

De mens behoudt vrij gemakkelijk zijn temperatuur dankzij de hoge waarde van de specifieke warmtecapaciteit van water.

cwater = 4186 J kg ⋅ °C

Zand heeft niet zoveel warmte nodig om in temperatuur te stijgen, minder dan de helft van de warmte die water nodig heeft.

czand = 1600 J kg ⋅ °C

cwater = 4186 J kg °C

Als de zon fel schijnt, voelt het zand op het strand dan ook vaak heel warm aan, je bent dan ook meestal blij dat je in het frisse water kan springen.

Water heeft een zeer hoge specifieke warmtecapaciteit, zelfs de hoogste van alle veel voorkomende stoffen.

De reden waarom de specifieke warmtecapaciteit van water zo hoog is, moeten we zoeken in de structurele opbouw van water.

De waterstofbruggen in water zijn heel krachtig waardoor er heel veel energie nodig is om deze te laten trillen of anders gezegd, om de temperatuur te verhogen.

De hoge specifieke warmtecapaciteit van water speelt een belangrijke rol in ons klimaat.

De grote watermassa's op aarde warmen traag op en koelen traag af. Doordat de aarde voor 70 % uit water bestaat, worden hierdoor extreme temperatuurschommelingen vermeden.

We merken op aarde wel het verschil tussen verschillende gebieden op aarde, zo kennen kustgebieden doorgaans een milder klimaat met gematigde temperaturen. Deze kustgebieden hebben een zeeklimaat: ze zijn koeler in de zomer omdat de watermassa trager opwarmt en warmer in de winter omdat de watermassa minder snel afkoelt. Meer in het binnenland heerst dan weer een landklimaat, daar speelt het effect van het water immers minder.

WIST-JE-DAT

Heel wat organismen vinden water de perfecte biotoop omdat ze beschermd zijn tegen extreme temperatuurschommelingen.

8Verder oefenen?

Begrijpen

Op welke drie manieren kan de uitwisseling van warmte gebeuren? Noteer.

Zet onderstaande temperaturen om: θ in °C T in K 293 0 0 173 200 1400 373 36 121 –10

Vul telkens het juiste begrip in. Kies uit: thermische energie, vloeistof, vaste stof, gas, plasma, fasetoestanden, stroming, geleiding, straling, inwendige energie, inwendige potentiële energie, inwendige kinetische energie, kelvin, absoluut nulpunt, thermisch evenwicht, temperatuur, absolute temperatuur, latente warmte, smelten, stollen, merkbare warmte, verdampen, sublimeren, desublimeren, condenseren, cohesiekrachten , warmte, warmteoverdracht

Deze aggregatietoestand wordt in een model als volgt voorgesteld:

Deze aggregatietoestand wordt in een model als volgt voorgesteld:

In deze aggregatietoestand zitten de deeltjes nog dicht bij elkaar, maar ze hebben geen vaste plaats meer. Ze kunnen vrij langs elkaar heen bewegen.

Zo wordt de temperatuur –273,15 °C ook genoemd.

Dit is de totale bewegingsenergie van de structurele elementen (atomen, moleculen, …) van een systeem.

Dit is een andere benaming voor aggregatietoestanden.

Deze vorm van energie wordt ook wel warmte genoemd.

Als twee systemen dezelfde temperatuur hebben, dan zijn deze in …

Deze grootheid is een maat voor het trillen van de atomen of moleculen.

Deze aggregatietoestand wordt in een model als volgt voorgesteld:

In deze fase is de krachtwerking tussen de verschillende deeltjes klein. De atomen (of moleculen) zijn heel beweeglijk en bewegen los van elkaar met verschillende snelheden kriskras door elkaar.

Deze energie bepaalt de toestand waarin de stof zich bevindt.

Dit wordt uitgewisseld tussen systemen die niet in thermisch evenwicht zijn.

In deze vierde fasetoestand zijn sommige atomen (of moleculen) één of meerdere elektronen kwijtgeraakt. Deze toestand van het atoom (of molecule) noemen we geïoniseerd. De vrije elektronen bewegen zich hierbij vrij door de ruimte.

Dit is de som van alle vormen van energie die inwendig in het systeem aanwezig zijn, dus de som van de bewegingsenergie van de deeltjes (atomen of moleculen) en van de bindingsenergie.

Hierbij gebeurt de warmteoverdracht tussen twee lichamen, die niet in aanraking zijn, zonder gebruik te maken van een middenstof. Het warme lichaam geeft elektromagnetische straling af en verliest zo dus warmte, het andere lichaam absorbeert de elektromagnetische straling deels of volledig.

Deze energie wordt bepaald door de snelheid waarmee de deeltjes (atomen of moleculen) in een stof bewegen.

Dit gebeurt tussen systemen die niet in thermisch evenwicht zijn.

In deze aggregatietoestand zijn de aantrekkingskrachten tussen de verschillende deeltjes van de stof groot. De atomen zitten op een vaste plaats en kunnen amper bewegen. Als de temperatuur toeneemt, gaan ze wel heftiger trillen en gaan ze wat verder uit elkaar zitten.

Deze warmteoverdracht gebeurt binnen de stof, waarbij warmte stroomt van deeltjes met een hoge temperatuur naar de deeltjes met een lage temperatuur.

Noteer hier een ander woord voor conductie.

Dit is de eenheid van absolute temperatuur.

Hierbij gebeurt de warmteoverdracht door verplaatsing van een warm gas of warme vloeistof, of van een koud gas of koude vloeistof.

Noteer hier een ander woord voor radiatie.

Noteer hier een ander woord voor convectie.

Zo noemen we de overgang van vaste fase naar gasvormige fase.

Zo noemen we de overgang van vaste fase naar vloeibare fase.

Deze warmte heeft een temperatuurverandering tot gevolg.

Deze grootheid voor temperatuur heeft als nulpunt 0K = 273,15°C

Deze warmte heeft een verandering van aggregatietoestand tot gevolg, zonder dat daarbij een temperatuurverandering plaatsvindt.

Zo noemen we de overgang van vloeibare fase naar gasvormige fase.

Zo noemen we de overgang van vloeibare fase naar vaste fase.

Zo noemen we de overgang van gasvormige fase naar vaste fase.

Zo noemen we de overgang van gasvormige fase naar vloeibare fase.

Dit is de hoeveelheid energie die uitgewisseld wordt tussen twee voorwerpen ten gevolge van een temperatuurverschil. Dit zijn de aantrekkingskrachten tussen deeltjes van dezelfde stof in het deeltjesmodel.

Noteer de faseovergangen op onderstaande figuur. Kies uit: smelten, stollen, sublimeren, desublimeren, verdampen, condenseren

gas

vloeibaar vast

Beschrijf de aggregatietoestand ‘vaste stof’ aan de hand van het deeltjesmodel. Maak ook een tekening.

Beschrijf de aggregatietoestand ‘vloeistof’ aan de hand van het deeltjesmodel. Maak ook een tekening.

Beschrijf de aggregatietoestand ‘gas’ aan de hand van het deeltjesmodel. Maak ook een tekening.

Leg uit wat cohesiekrachten zijn.

Beschrijf wat de inwendige kinetische energie van een stof inhoudt.

Beschrijf wat de inwendige potentiële energie van een stof inhoudt.

Beschrijf wat de inwendige energie van een stof inhoudt.

Waarvoor is de absolute temperatuur een maat? Noteer.

Leg het verschil uit tussen de begrippen temperatuur, warmte en thermische energie.

Leg het verschil uit tussen latente en merkbare warmte.

Verbind: verandering van inwendige kinetische energie temperatuurverandering verandering van inwendige potentiële energie faseovergang

gas

vaste stof

Duid op de figuur het smeltpunt aan met Tsmelt Kleur de t-as geel waar het smelten gebeurt. Kleur de lijn in de grafiek groen waar de stof in vaste toestand voorkomt. Kleur de lijn in de grafiek rood waar de stof in vloeibare toestand voorkomt.

stof

Duid op de figuur het kookpunt aan met Tkook Kleur de t-as geel waar het verdampen gebeurt. Kleur de lijn in de grafiek groen waar de stof in gasvormige toestand voorkomt. Kleur de lijn in de grafiek rood waar de stof in vloeibare toestand voorkomt.

gas

Duid op de figuur het stolpunt aan met Tstol. Kleur de t-as geel waar het stollen gebeurt. Kleur de lijn in de grafiek groen waar de stof in vaste toestand voorkomt. Kleur de lijn in de grafiek rood waar de stof in vloeibare toestand voorkomt.

gas

vloeistof vaste stof

Duid op de figuur het kookpunt aan met Tkook

Kleur de t-as geel waar het condenseren gebeurt. Kleur de lijn in de grafiek groen waar de stof in gasvormige toestand voorkomt. Kleur de lijn in de grafiek rood waar de stof in vloeibare toestand voorkomt.

Leg uit wat er met een stof op atomair niveau gebeurt tijdens het smelten.

Waarom worden bij vriesweer de pas gevormde, fragiele bloesems besproeid met water? Leg uit.

Wat gebeurt er in onderstaande afbeelding? Leg uit.

Verdampen

Wat gebeurt er in onderstaande afbeelding? Leg uit.

Verdampen Koken

Waarom zweten we? Leg uit.

Waarom zien we honden vaak met hun tong uit hun muil? Leg uit.

Koken

t

gas

vaste stof

t

a b c d 27 a b c d 28

gas

vaste stof

Duid op de figuur het sublimatiepunt aan met Tsubl Kleur de t-as geel waar het sublimeren gebeurt. Kleur de lijn in de grafiek groen waar de stof in gasvormige toestand voorkomt. Kleur de lijn in de grafiek rood waar de stof in vaste toestand voorkomt. T t

Duid op de figuur het sublimatiepunt aan met Tsubl. Kleur de t-as geel waar het desublimeren gebeurt. Kleur de lijn in de grafiek groen waar de stof in gasvormige toestand voorkomt. Kleur de lijn in de grafiek rood waar de stof in vaste toestand voorkomt.

Als we de specifieke warmtecapaciteit van zand en water vergelijken, dan zien we een groot verschil. Wat betekent dat verschil juist? Zien we dat ook in de praktijk? Verklaar.

czand = 1600 J kg ⋅ °C

cwater = 4186 J kg °C

Door onze radiatoren stroomt water. Waarom eigenlijk? Olie zou namelijk beter zijn als het op roesten aankomt. Waarom wordt er dan toch voor water gekozen? Verklaar.

colie = 2000 J kg °C

cwater = 4186 J kg °C

30 a b 31 32 a b

Omschrijf wat warmtebalans inhoudt. Welke belangrijke wet gebruiken we hierbij? Noteer.

Kruis aan of bij onderstaande voorbeelden sprake is van merkbare warmte, latente warmte of beiden. merkbare warmtelatente warmte

IJsblokjes smelten in een warme cola.

Water van 20 °C wordt in een kookpot op een elektrisch vuur gezet en aan de kook gebracht om er daarna spaghetti in te koken. Een fruitsapje wordt al snel warm in de stralende zon.

Sien doet heel warm water bij haar badwater omdat ze het te koud vindt.

Een kaars wordt aangestoken en geeft na een tijdje een heel mooie vlam.

Bij het opwarmen van chocomelk laat men stoom door de chocomelk gaan.

Een ijsje smelt.

Water kookt.

Een ijsblokje wordt uit de diepvries gehaald en op kamertemperatuur gebracht. Het ijsblokje begint natuurlijk te smelten. Neemt het ijsblokje hierbij warmte op of geeft het warmte af? Noteer. Geven we deze warmtehoeveelheid dan een positief of een negatief teken in berekeningen? Noteer.

33 34

De leiding van een jeugdbeweging heeft spaghettisaus gemaakt. De saus is echter veel te warm (90 °C) om op te dienen. Daarom beslist de leiding om een handvol ijsblokjes in de saus te doen. Duid de grafiek aan die het best de temperatuur van de saus en het ijs in functie van de tijd weergeeft. 0

a 90 t (s)

θ (°C) 0

θ (°C)

b 90 t (s)

0

c 90 t (s)

θ (°C)

θ (°C) 0

d 90 t (s)

Vul onderstaand schema aan met de juiste fases en faseovergangen. Fase °C

35 36 37

Vul onderstaande grafiek aan met volgende begrippen: verdampen, smelten, smeltpunt, kookpunt, gas, vloeibaar, vast, vast en vloeibaar, vloeibaar en gas.

θ (°C) t

Bij oefening 35 wordt warmte toegevoegd aan het systeem. Teken de θ (t)-grafiek voor het omgekeerde proces waarbij warmte onttrokken wordt aan het systeem.

We gieten warm water en koud water bij elkaar en we gaan ervan uit dat er geen warmteverlies is aan de omgeving. Stel de warmtebalans voor dit proces kwalitatief op.

Faseovergangen

Stikstof is een geur- en kleurloos gas dat 78 % van onze aardatmosfeer uitmaakt. Stikstof is bij kamertemperatuur in een gasvormige toestand. Als stikstof afgekoeld wordt tot aan zijn condensatiepunt, –196 °C, dan wordt stikstof vloeibaar. Met deze vloeibare stikstof kunnen er een aantal toffe experimenten rond faseovergangen gedaan worden.

Bekijk via de QR-code het filmpje dat verschillende faseovergangen demonstreert met behulp van vloeibaar stikstof.

Notities

Ik kan warmte omschrijven als de hoeveelheid energie die uitgewisseld wordt tussen twee voorwerpen ten gevolge van een temperatuurverschil, inclusief grafische voorstelling.

Ik kan het energietransport bij faseovergangen en bij temperatuurveranderingen van stoffen kwalitatief verklaren aan de hand van het deeltjesmodel.

Ik kan de aggregatietoestanden (vast, vloeibaar en gas) definiëren aan de hand van het deeltjesmodel, inclusief bijhorende schets.

Ik kan de cohesiekrachten beschrijven als aantrekkingskrachten tussen deeltjes van dezelfde stof in het deeltjesmodel.

Ik kan herkennen dat in het deeltjesmodel de snelheid van de deeltjes onderling verschillend is en voortdurend verandert.

Ik kan de inwendige kinetische energie van een voorwerp definiëren als de energie van de deeltjes van het voorwerp ten gevolge van hun snelheid.

Ik kan het begrip (absolute) temperatuur definiëren als een maat voor de gemiddelde kinetische energie van een deeltje van het voorwerp.

Ik kan beschrijven dat de inwendige potentiële energie van de deeltjes stijgt als de afstand tussen de deeltjes stijgt.

Ik kan de thermische (inwendige) energie van een voorwerp definiëren als de som van de inwendige kinetische energie en de inwendige potentiële energie.

Ik kan het verschil in betekenis tussen de begrippen temperatuur, warmte en thermische energie beschrijven.

Ik kan de warmtebalans in een geïsoleerd systeem omschrijven als een voorbeeld van de behoudswet van energie.

Ik kan het principe van thermisch evenwicht omschrijven.

Ik kan de juiste benamingen van de faseovergangen (smelten, stollen, verdampen, condenseren, sublimeren en desublimeren) herkennen.

Ik kan verklaren dat door toevoegen of afstaan van thermische (inwendige) energie er een verandering in aggregatietoestand (een faseovergang) kan ontstaan.

Ik kan aan de hand van voorbeelden verklaren dat de warmte nodig om te smelten, verdampen of sublimeren even groot is als de warmte die respectievelijk vrijkomt bij stollen, condenseren of desublimeren.

Ik herken het smeltpunt van een stof.

Ik kan het begrip merkbare warmte omschrijven als warmte die zorgt voor een verandering van de temperatuur van een stof.

Ik kan het verband tussen de temperatuurverandering en de verandering in inwendige kinetische energie toelichten.

Ik kan het begrip latent warmte omschrijven als de warmte die zorgt voor een faseovergang van een stof, zonder dat er een temperatuurverandering optreedt.

Ik kan het verband tussen de faseovergang en de verandering in inwendige potentiële energie toelichten.

Ik kan de betekenis van de waarde van de specifieke warmtecapaciteit van een stof interpreteren aan de hand van voorbeelden uit het dagelijks leven.

Ik kan voor de grootheden (absolute) temperatuur, warmte en specifieke warmtecapaciteit de naam van de grootheid, het symbool van de grootheid, de naam van de (SI-) eenheid en het symbool van de (SI-) eenheid benoemen.

Ik kan natuurwetenschappelijke, technologische en wiskundige modellen, zoals het deeltjesmodel, ontwikkelen in discipline specifieke en STEM-contexten om te visualiseren, te onderzoeken, op te lossen en te verklaren.

Ik kan de werking van een model, zoals het deeltjesmodel, beschrijven als een vereenvoudigde voorstelling van de werkelijkheid, inclusief validiteit en reikwijdte van het model.

Ik kan een model, zoals het deeltjesmodel, gebruiken om een probleemstelling op te lossen.

Ik kan een bestaand model, zoals het deeltjesmodel, aanpassen om een vraag of een probleemstelling te kunnen analyseren.

Colofon

Auteur Freya Vermeiren

Met medewerking van Anke Van Roy Eerste druk 2022

SO 0168/2022

Bestelnummer 65 900 0651 (module 2 van 90 808 0460)

ISBN 978 90 4864 389 9 (module 2 van 978 90 4863 437 8)

KB D/2022/0147/123

NUR 126

Thema YPMP5

Verantwoordelijke uitgever die Keure, Kleine Pathoekeweg 3, 8000 Brugge

RPR 0405 108 325 - © die Keure, Brugge

Die Keure wil het milieu beschermen. Daarom kiezen wij bewust voor papier dat het keurmerk van de Forest Stewardship Council® (FSC®) draagt. Dit product is gemaakt van materiaal afkomstig uit goed beheerde, FSC®-gecertificeerde bossen en andere gecontroleerde bronnen.