Samenvatting voor natuurkunde: Materialen 2 - warmtetransport
Faseovergangen
In de vorige video hebben we gezien dat stoffen in drie fases kunnen voorkomen: vast, vloeibaar en gasvormig. Stoffen kunnen overgaan van de ene in de andere fase. Dat noem je een faseovergang. Er zijn zes verschillende faseovergangen, één voor elke overgang van een fase naar andere fase. De namen van die faseovergangen moet je kennen. De meeste ken je waarschijnlijk wel, maar de twee die relatief onbekend zijn, zijn de overgang van een gas naar een vaste stof en van een vaste stof naar een gas.
Sublimeren en rijpen
Wanneer een vaste stof overgaat in een gas, zeggen we dat de stof sublimeert. Dat gebeurt bijvoorbeeld bij een blok droog ijs, wat eigenlijk kooldioxide in vaste vorm is, dat sublimeert tot gasvormig kooldioxide. Wanneer droog ijs gemaakt wordt door kooldioxidegas tot een vaste stof over te laten gaan, zeggen we dat de kooldioxide rijpt. Sublimeren en rijpen zijn dus de faseovergangen die respectievelijk horen bij de overgang van een vaste stof naar een gas en de overgang van een gas naar een vaste stof.
Warmtetransport
In de vorige video hebben we gezien dat warmte eigenlijk de kinetische energie is van de moleculen van een stof, die ofwel door elkaar heen bewegen, ofwel op hun plek trillen. Die energie kan van de ene plek naar de andere gebracht worden op drie verschillende manieren: stroming, straling en geleiding.
Stroming
De term stroming spreekt min of meer voor zich. De warmte van een vloeibare of gasvormige stof wordt dan van de ene naar de andere plek gebracht door simpelweg de stof zelf van de ene naar de andere plek te laten stromen. Een voorbeeld van stroming is het verplaatsen van de warmte van een cv-ketel naar een douchekop of radiator, door het warme water van de cv-ketel naar de douchekop of radiator te laten stromen.
Straling
Warmtetransport met straling gaat anders. Objecten met een temperatuur van meer dan 0 Kelvin, dus eigenlijk gewoon alle objecten, zenden elektromagnetische straling uit. De kinetische energie van de moleculen van het object, oftewel zijn warmte, wordt omgezet in straling en uitgezonden. Als een ander object die straling weer absorbeert en omzet in kinetische energie van zijn moleculen, oftewel warmte, is er warmte getransporteerd van het ene object naar het andere object.
Een voorbeeld hiervan is het transport van warmte van de zon naar de aarde. De zon is heel heet, zo’n 6000 Kelvin, en zendt daarom veel straling uit in de vorm van infrarode straling, zichtbaar licht en uv-straling. De aarde absorbeert die straling en zet het om in warmte in het aardoppervlak en de atmosfeer. De warmte van de zon is dan getransporteerd naar het aardoppervlak, waardoor wij niet op een ijsklontje hoeven te leven.
Geleiding
Onder geleiding verstaan we het onderling doorgeven van kinetische energie, warmte dus, tussen de moleculen van een stof. Stel je bijvoorbeeld een ijzeren staaf voor. Als we de ene kant van de staaf heel heet maken, betekent dat dat de moleculen aan die kant van de staaf heel hard trillen. Door tegen hun buren op te botsen, geven ze hun kinetische energie, dus warmte, aan die buren door. Die buren doen weer hetzelfde met hun buren en zo wordt de warmte langzaam door de hele staaf getransporteerd.
Geleiding werkt op dezelfde manier ook in vloeistoffen en gassen, maar ook tussen verschillende stoffen. In de oven staat een aardappel bijvoorbeeld in contact met de hete lucht er omheen. De hete lucht moleculen botsen tegen de moleculen van de aardappel en geven er zo hun warmte aan door. Ook dat is geleiding. Bij geleiding wordt de warmte altijd getransporteerd van een stof, of een deel van een stof, met een hogere temperatuur naar een stof, of een deel van een stof, met een lagere temperatuur.
Warmtestroom
De hoeveelheid warmte die per seconde van de ene naar de andere plek gaat noem je de warmtestroom. We gebruiken voor de warmtestroom het symbool P en als eenheid Joule per seconde, ook wel bekend als de Watt. In formulevorm zou je dat kunnen uitdrukken als: P = Δ Q / Δ t, waarbij Delta Q de getransporteerde warmte is en Delta t de tijd waarin die warmte getransporteerd is.
In het geval dat de warmte getransporteerd wordt door geleiding, geldt ook: P = λ ⋅ A ⋅ Δ t / d. Hier is P de warmtestroom, lambda de warmtegeleidingscoëfficiënt van de stof die de warmte geleidt, A de oppervlakte waar de warmte doorheen geleid wordt, Delta T het verschil in temperatuur tussen de plekken waartussen de warmte geleid wordt en d de afstand tussen die twee plekken. Deze formule kunnen we begrijpen aan de hand van een voorbeeld, wat je kunt zien in de bovenstaande video.
In het kort
De overgangen van stoffen van de ene naar de andere fase zijn: smelten en stollen, verdampen en condenseren, en sublimeren en rijpen. Warmte kan getransporteerd worden door stroming, waarbij een warme stof van de ene naar de andere plek verplaatst, door straling, waarbij een warm object straling uitzendt die op een andere plek door een ander object wordt geabsorbeerd, en door geleiding, waarbij de moleculen van stoffen hun kinetische energie aan elkaar doorgeven door middel van botsingen. De warmtestroom is de hoeveelheid warmte die per seconde van de ene naar de andere plek wordt verplaatst (P = Δ Q / Δ t). Voor warmtetransport door geleiding is dit gelijk aan P = λ ⋅ A ⋅ Δ t / d.
