1 Thermische energie en temperatuur

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

NAAM SYMBOOL NAAM SYMBOOL

temperatuur θ graden Celsius

absolute temperatuur T kelvin

°C K

GROOTHEID EENHEID

NAAM SYMBOOL NAAM SYMBOOL

warmte Q joule

J

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)

+273

θ = T − 273 (in °C)

Celsius kelvin

–273 TEMPERATUREN OMREKENEN TEMPERATUUR θ (°C) Absolute nulpunt Smeltpunt water Kamertemperatuur Kookpunt water –273 0 20 100

T (K) 0 273 293 373

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.