Les 11: Wat doet warmte met stoffen?

• Procesbeheersing
• MBO
• Studiejaar 4

Wat doet warmte met stoffen?

In deze les komen de volgende onderwerpen aan bod.

- Inleiding

- Soortelijke warmte

- Smeltwarmte en stollingswarmte van zuivere stoffen

- Smelt- en stoltraject van onzuivere stoffen

- Verdampingswarmte en condensatiewarmte

- Kookpunt verhogen en verlagen

- Van vast naar gas of andersom

Inleiding

Als je wilt weten hoeveel warmte een stof bevat, dan moet je een aantal eigenschappen weten van de stof. Namelijk:

• de fase of faseovergang (temperatuur) (Smeltovergang)
• de druk 

Soortelijke warmte

Soortelijke warmte: is de hoeveelheid warmte die je nodig hebt om 1 kg van het materiaal

1 K (of °C) in temperatuur te laten stijgen of te laten dalen. Officieel is de eenheid J/kg·K, maar er wordt vaak kJ/kg°C gebruikt.

Vaste, stoffen, vloeistoffen en gassen hebben allemaal hun eigen soortelijke warmte. 

Om de soortelijke warmte te berekenen gebruik je de volgende  formule:

Q= m x c x ΔT    (CODEX TABEL NA29)

Q = de hoeveelheid warmte [J]

m = massa [kg]

c = soortelijke warmte [kJ/(kg·°C)].

ΔT = temperatuurverschil [K]

Je wilt 2 liter water verwarmen van 17°C naar 19°C. Hoeveel energie heb je hiervoor nodig?

Soortelijk warmte water 4,19

2x 4,19 x2 = 16,76 kj

Soortelijke warmte

Tijdens faseovergangen loopt de temperatuur niet op!

Codex NA 32

Een blok staal 20kg word verwarmd van 20 °C naar 500 °C.
Hoeveel energie (kj) moeten we erin stoppen?

Q=m x c x ΔT

Q= 20 * 0,46*480 = 4416Kj

Smeltwarmte en stollingswarmte van zuivere stoffen

Het smeltpunt van een stof: de temperatuur waarbij een vaste stof vloeibaar wordt.

Smeltwarmte: de warmte die je in een stof stopt om 1 kg van de stof om te zetten in een vloeistof.

Zuivere kristallijne stoffen: stoffen die niet gemengd zijn met andere stoffen. 

Van zuivere stoffen is bekend hoeveel warmte je in de stof moet stoppen of eruit moet halen om 1 kg van de stof te laten smelten of te laten stollen.

Je kunt deze warmte vaak opzoeken in tabellenboeken, maar je kunt deze ook berekenen met de formule Q = m x Rs.

Q = hoeveelheid warmte [J]

m = massa [kg]

Rs = smeltwarmte (stollingswarmte) [kJ/kg]

Smeltwarmte en stollingswarmte van stoffen

Mengsels: ontstaan als je twee of meerdere stoffen door elkaar mengt.

Smelttraject: mengsels bestaan uit meerdere stoffen die ieder hun eigen smeltpunt hebben. Mengsels zijn dus onzuiver en hebben een smelttraject in plaats van een smeltpunt.

Stoltraject: hierbij wordt er warmte afgevoerd uit de onzuivere stof, zodat de stof kan stollen. De temperatuur van onzuivere stoffen zal dalen tijdens het stollen.

Zuivere amorfe stoffen: moleculen van een amorfe stof liggen kriskas door elkaar. De afstand tussen de moleculen is daardoor niet overal gelijk en dus smelt een zuivere amorfe stof niet bij één temperatuur.

Kristallijne stof

Amorfe stof

Verdampingswarmte en condensatiewarmte (1)

Verdampen: een fysisch proces waarbij een vloeistof overgaat in een gas.

Verdampingspunt: het punt waarop de vloeistof overgaat in gas.

Dampdruk of dampspanning: de vloeistofdeeltjes die

verdampen zorgen voor dampdruk of dampspanning.

Verschil in dampspanning: direct boven het oppervlak van de vloeistof is de concentratie dampdeeltjes hoger dan verder boven het oppervlak.

Condenseren: het tegenovergestelde van verdampen. Het gas gaat dus over in een vloeistof.

Verdampingswarmte: de warmte die je moet toevoeren om 1 kg vloeistof helemaal om te zetten in een gas.

Condensatiewarmte: de warmte die je moet afvoeren

om 1 kg gas helemaal om te zetten in een vloeistof.

Je kunt de warmte die je moet toevoeren of moet afvoeren berekenen met de volgende formule:

Q = m x Rv

Hierin is:

Q = de hoeveelheid warmte die je moet toevoeren of moet afvoeren [J]

m = de massa van de vloeistof of het gas [kg]

Rv = de verdampingswarmte/condensatiewarmte [kJ/kg]

Hoeveel warmte moet je toevoeren als je 20 ltr water wilt verdampen tot stoom

1. 2258Kj
2. 45160Kj
3. 6680Kj
4. 334Kj

Kookpunt verhogen en verlagen

Als je de druk boven de vloeistof verandert, dan verandert het kookpunt en ook de verdampingssnelheid.

De druk daalt: het kookpunt wordt lager. Daardoor wordt de maximale dampspanning hoger en ontsnappen de moleculen gemakkelijker uit de vloeistof.

De druk stijgt: de maximale dampspanning wordt lager. Het kookpunt gaat omhoog en de moleculen kunnen moeilijk uit de vloeistof ontsnappen.

Kookpuntverhoging: ook het soort stof bepaalt hoe hoog het kookpunt  ligt. Bij een oplossing duurt het langer voordat de vloeistof overgaat in een gas dan bij een zuivere vloeistof, omdat het kookpunt hoger ligt.

Zuivere kristallijne stoffen hebben een temperatuurprofiel dat er als volgt uitziet als je warmte toevoert.

1)Je verwarmt de vaste stof. Tijdens de warmtetoevoer stijgt de temperatuur van de vaste stof.

  

2)Je verwarmt de vaste stof, waardoor de stof smelt. Tijdens de warmtetoevoer blijft de temperatuur gelijk.

3)Je verwarmt de vloeistof. Tijdens de warmtetoevoer stijgt de temperatuur van de vloeistof.

4)Je verwarmt de vloeistof waardoor het verdampt. Tijdens de warmtetoevoer blijft de temperatuur gelijk.

5)Je verwarmt het gas. Tijdens de warmtetoevoer stijgt de temperatuur van het gas

Als een vaste stof met de temp van punt 1 tot een gas van punt 5 opgewarmd word moet je de waarden bij elkaar optellen.

1) Q=m x c x ΔT

2) Q= m x Rs

3) Q=m x c x ΔT

4) Q= m x Rs

5) Q=m x c x ΔT

500 kilo ijs van min -20°C word opgewarmd tot
stoom van 200 °C.
Hoeveel Warmte is hiervoor nodig?