§3.3 Energie en warmtetransport - les 1

• Natuurkunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4

§3.3 Energie en warmtetransport

Lesplanning:

1. Uitleg fases en warmtetransport
2. Maken opgave 25 en 28
3. Uitleg soortelijke warmte
4. Maken opgave 29 en 31 / bespreken opgave 18

Lesdoelen

Aan het einde van de les ...

• Weet je wat het verschil is tussen temperatuur en warmte;
• kan je redeneren over de opwarming van een stof m.b.v. de soortelijke warmte.

00:16

Wat denk jij?

Het boek heeft een lagere temperatuur dan de harddrive.

Het boek heeft een even hoge temperatuur als de hardrive.

Het boek heeft een hogere temperatuur dan de hardrive.

01:58

Wat verwacht jij?
Als je een ijsblokje gelijktijdig op een aluminiumblokje en een ander ijsblokje op een plastic blokje legt dan ...

Wat is het verschil tussen warmte en temperatuur?

Warmte VS temperatuur

Warmte

Warmte is de hoeveelheid energie die zich verplaats van een voorwerp met een hoge temperatuur naar een voorwerp met een lage temperatuur.

Temperatuur

is een maat voor de bewegingsenergie van de moleculen.

Wanneer een fles water afkoelt, worden de watermoleculen daarbinnen trager. Onder 0°C is een ijskristal thermodynamisch gesproken de meest stabiele configuratie van moleculen. Om die toestand te bereiken moeten de moleculen bewegen en zich aan elkaar verbinden in het juiste patroon voor ijs. Dit is echter niet zo gemakkelijk als het klinkt. Als water snel afkoelt, kan het gebeuren dat de moleculen niet de tijd krijgen om met elkaar de ordening te vormen die nodig is voor een ijskristal, voordat ze te traag worden om nog veel te bewegen.

Elk ijskristal (of eigenlijk elk kristal) heeft een startpunt nodig, een nucleatieplek waar de eerste moleculen erin slagen om samen de juiste structuur te vormen, waarna er meer moleculen bij komen in dezelfde ordening en het kristal verder groeit. Hoe en op welk moment die eerste nucleatie precies optreedt en het verhardingsproces in gang zet, is min of meer een raadsel.

‘Als je een klap geeft met de onderkoelde fles, verstoor je het systeem en deze verstoring zorgt dan dat er een nucleatie optreedt,’ zegt theoretisch scheikundige Angelos Michaelides, die zich het grootste deel van zijn carrière heeft beziggehouden met onderzoek naar de manier waarop water bevriest. ‘Maar we weten niet precies wat er dan gebeurt.’

Om een fles water voor deze instant-vriesdemonstratie te prepareren kun je hem het beste in een bad van ijs en zout zetten, waardoor het water in de fles ongeveer -10°C wordt. Vloeibaar water op deze temperatuur bestaat normaal gesproken niet, en aangezien het water niet de verwachte faseovergang naar ijs heeft doorgemaakt, verkeert het, zoals wetenschappers dat noemen, in een ‘metastabiele’ toestand. Dat betekent dat het water in de fles rijp is om een plotselinge faseovergang te ondergaan als het een duwtje in de goede richting krijgt. Misschien verstoort de klap tegen de fles piepkleine onzuiverheden, stofdeeltjes bijvoorbeeld, in de vloeistof en verbinden de afkoelende watermoleculen zich op de juiste manier aan die deeltjes.

De verstoring kan ook de vorm hebben van lucht die normaalgesproken is opgelost in de vloeistof, maar wanneer de fles ergens tegenaan wordt geslagen, uit die oplossing komt in de vorm van kleine luchtbelletjes. Het zou zelfs zo kunnen zijn dat een ribbeltje aan de binnenkant van de fles een plek wordt waar het water de juiste ordening krijgt om nucleatie te starten.

Faseovergangen

De temperatuur is constant tijdens fase-overgangen

Als water snel afkoelt, kan het gebeuren dat de moleculen niet de tijd krijgen om met elkaar de ordening te vormen die nodig is voor een ijskristal, voordat ze te traag worden om nog veel te bewegen.

Verdampen & condenseren

• Bij verdamping ontsnappen toevallig extra snelle deeltjes aan de aantrekkende krachten van de andere deeltjes.
• Deeltjes die het vloeistofoppervlak raken worden 'gevangen'.

Phet

Opgave 25 en 28

klaar, ga verder met 29 en 31

Opwarmen

Verschillende materialen

Temperatuur 1 ºC omhoog:

• 1 gram ijzer 🡪 0,46 joule
• 1 gram tin 🡪 0,22 joule
  
  

Soortelijke warmte

• De soortelijke warmte van een stof is de hoeveelheid warmte, die deze stof opneemt per massa-eenheid van de stof en per graad temperatuurstijging (of afstaat bij temperatuurdaling).
  
  
• Temperatuur 1 ºC omhoog:
  - 1 gram ijzer 🡪 0,46 joule soortelijke warmte ijzer: 0,46 J/(g·ºC)
  - 1 gram tin 🡪 0,22 joule soortelijke warmte tin: 0,22 J/(g·ºC) 

Wanneer je 23 joule warmte aan een ijzeren blokje toevoegt stijgt de temperatuur met 10 ºC toe. De massa van het ijzeren blokje is 5 gram.
Bereken de soortelijke warmte van ijzer.

Opgave 25, 28, 29 en 31

Bespreken opgave 18