4 Warmteoverdracht

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

Warm Koud Warmteoverdracht van de warme kubus naar de koude kubus De warmteoverdracht is gestopt

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

Warm

warmteoverdracht Koud

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

1 2 3 Door geleiding Door straling Door stroming

stroming geleiding

straling

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.

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.

Radiator

STRALING GELEIDING STROMING

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.

STRALING

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.

GELEIDING STROMING