1. Materialen 1

Samenvatting voor natuurkunde - Materialen 1: warmte

Eigenschappen van stoffen

Laten we eerst kijken naar hoe een stof er ook alweer uitziet van dichtbij. Alle stoffen zijn gemaakt van moleculen, die op hun beurt weer gemaakt zijn van atomen. Water bestaat bijvoorbeeld uit H2O-moleculen, die uit twee waterstofatomen en een zuurstofatoom bestaan. IJzer bestaat uit ijzermoleculen, die elk een los ijzeratoom zijn.

Fases van stoffen

Stoffen van een bepaald molecuul kunnen in drie verschillende vormen voorkomen. Die vormen noemen we fases en hebben te maken met hoe de moleculen met elkaar samenhangen. De drie fases zijn vast, vloeibaar en gasvormig.

Als de moleculen van een stof aan elkaar vastzitten en zich niet ten opzichte van elkaar kunnen verplaatsen, spreken we van een vaste stof. Dat is het geval bij een blok hout, een metalen staaf, of een blokje ijs.

Als de moleculen van een stof volledig los van elkaar kunnen bewegen en ver van elkaar verwijderd zijn, spreken we van een gas. Dat is het geval bij lucht, of waterdamp. Omdat er een grote afstand is tussen de moleculen van een gas, kan het volume van een gas verkleind worden door de moleculen dichter naar elkaar toe te drukken. Ook kan het vergroot worden, door de moleculen meer ruimte te geven.

Als de moleculen van een stof wel los van elkaar kunnen bewegen, maar zo dicht bij elkaar zijn dat ze niet samengedrukt kunnen worden, spreken we van een vloeistof. Dat is het geval bij vloeibare olie, of bij vloeibaar water. Sommige stoffen, zoals we hier hebben gezien bij water, kunnen in alle drie de fases voorkomen. In welke fase ze voorkomen hangt af van de temperatuur van de stof.

Temperatuur van stoffen

Nu we weten hoe stoffen in elkaar zitten, kunnen we begrijpen wat er bedoeld wordt met de temperatuur van een stof. De temperatuur is een maat voor de gemiddelde hoeveelheid kinetische energie die een molecuul van de stof heeft, dus hoeveel een molecuul gemiddeld beweegt. Voor vaste stoffen, waarin de moleculen zich niet ten opzichte van elkaar kunnen verplaatsen, gaat die beweging over trillingen. Die kinetische energie noemen we warmte. Let op: warmte meten we dus niet in graden Celsius, of in Kelvin, maar in Joule. Het is een energie.

Meten in Kelvin en Celsius

Als de moleculen van een blok ijs helemaal stilstaan en dus exact 0 Joule aan kinetische energie hebben, is de temperatuur van dat blok ijs 0 Kelvin. De Kelvin is dus de eenheid van temperatuur die begint op het absolute nulpunt, en we gebruiken hem als standaard eenheid.

Een andere veel gebruikte eenheid van temperatuur is graden Celsius. Die is bijna hetzelfde, met een aantal kleine verschillen.  Zo begint graden Celsius niet op het absolute nulpunt, maar op de temperatuur waarbij water bevriest en ijs smelt. Dat gebeurt bij een temperatuur van 273,15 Kelvin; dus 0 graden Celsius is gelijk aan 273,15 Kelvin, en 0 Kelvin is gelijk aan -273,15 graden Celsius.

Om een willekeurige temperatuur in graden Celsius om te rekenen naar een temperatuur in Kelvin, hoef je alleen maar 273,15 bij de temperatuur in Kelvin op te tellen. Een temperatuur van 30 graden Celsius is dus bijvoorbeeld gelijk aan 30 + 273,15 = 303,15 Kelvin. Andersom hoef je om van een temperatuur in Kelvin een temperatuur in graden Celsius te maken alleen maar 273,15 van de temperatuur in Kelvin af te trekken. Een temperatuur van 500,15 Kelvin is dus bijvoorbeeld 500,15 - 273,15 = 227 graden Celsius. Om berekeningen te doen, moet je altijd de temperatuur in Kelvin gebruiken.

Soortelijke warmte

Om de temperatuur van 1 kilogram van een stof te doen stijgen met 1 Kelvin, is een bepaalde hoeveelheid warmte nodig. Die warmte is niet voor elke stof hetzelfde. Om de temperatuur van een kilogram water met een Kelvin te doen stijgen is bijvoorbeeld  4180 Joule aan warmte nodig. Om de temperatuur van een kilogram ijzer met een Kelvin te doen stijgen, is maar 460 Joule aan warmte nodig. Dit verschil komt er grotendeels door dat de moleculen van water véél lichter zijn dan de moleculen van ijzer.

In een kilogram water zitten dus véél meer moleculen dan in een kilogram ijzer, en je hebt daardoor meer energie nodig om de gemiddelde hoeveelheid kinetische energie per molecuul te vergroten. De hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van een kilogram van een stof met 1 Kelvin te doen stijgen heet de soortelijke warmte van die stof. Voor de soortelijke warmte van een stof gebruiken we als symbool de kleine letter c en als eenheid Joule per kilogram per Kelvin. Je kunt de soortelijke warmtes van verschillende stoffen opzoeken in Binas in tabellen 8 t/m 12.

Temperatuurstijgingen berekenen

We kunnen de soortelijke warmte van een stof gebruiken om te berekenen hoeveel energie er nodig is om de temperatuur van een bepaalde hoeveelheid van een bepaalde stof met een bepaalde hoeveelheid Kelvin te doen stijgen. Dat klinkt misschien ingewikkeld, maar je kunt de video bekijken om een voorbeeld te zien van hoe je dit toepast.

We gebruiken hiervoor de formule: Q= c ⋅ m ⋅ΔT. Hier is Q de hoeveelheid warmte die nodig is, c is de soortelijke warmte van de stof die we willen opwarmen, m is de massa van de stof die we willen opwarmen en delta T is het temperatuurverschil dat we willen bereiken. Merk op dat we dezelfde formule ook kunnen gebruiken om het temperatuurverschil te berekenen van een bepaalde hoeveelheid van een bepaalde stof als we weten hoeveel warmte we erin stoppen, of om de massa te berekenen als we weten hoeveel warmte we erin stoppen en wat het temperatuurverschil is.