NASK 1

1. Warmte

Gegeven door:
Rick Ouwehand
Beschrijving Begrippen

In deze video met uitleg voor NaSk 1 gaan we het hebben over warmtebronnen, meetinstrumenten en de schaal van Kelvin. De warmtebronnen die zullen worden behandeld zijn de kachel, het fornuis, de vloerverwarming, de gasbrander, de elektrische kookplaat en de elektrische dompelaar. De meetinstrumenten die worden besproken zijn de thermometer en de temperatuursensor. Vervolgens leggen we uit hoe je temperatuur kan meten aan de hand van de schaal van Kelvin. Ook bespreken we warmtetransport aan de hand van geleiding, straling en stroming. Tot slot leggen we uit wat de werking is van verschillende isolerende maatregelen.

Warmtebronnen

"Om iets te verwarmen heb je een warmtebron nodig. Voorbeelden van warmtebronnen: gasbrander

Verbranden

"Bij verbranding vindt er een reactie plaats tussen een brandstof en zuurstof en hierbij komt energie vrij in de vorm van warmte en licht. Daarnaast is er een ontstekingsbron nodig om de verbranding te kunnen beginnen. Denk maar aan een kampvuur

Warmte

Omdat temperatuur eigenlijk de kinetische energie (bewegingsenergie) van de moleculen in een stof is betekent dit dat er energie nodig om de temperatuur te laten stijgen en energie weggehaald moet worden om de temperatuur te laten dalen. Deze energie wordt warmte of warmte-energie genoemd. Warmte is dus de energie die nodig is om iets in temperatuur te laten stijgen of de energie die vrijkomt als iets in temperatuur daalt.

Thermometer

Een thermometer is een meetinstrument dat gebruikt wordt om temperaturen te meten.

Temperatuursensor

Een temperatuursensor is een (apparaat- of machine-)onderdeel waarin de grootheid temperatuur wordt omgezet in een uit te lezen elektrisch signaal. Bijvoorbeeld een koelkast.

Kelvin

Kelvin (K) is een maat om de temperatuur te meten. Nul Kelvin is hetzelfde als -273

Fahrenheit

Fahrenheit is een temperatuurschaal. De graad Fahrenheit is geen SI-eenheid en 1 graad Fahrenheit is ongeveer 0

Celsius

Celsius is de maat waarin je meet hoe warm of koud het is (de temperatuur dus). De temperatuur kan zoveel graden Celsius zijn. Als water bevriest dan is het nul graden Celsius. Als water kookt dan is het honderd graden Celsius.

Warmtetransport

De overdracht van warmte

Temperatuur

Temperatuur T is een maat voor de gemiddelde bewegingsenergie van de atomen of moleculen.

Geleiding

Het verschijnsel waarbij transport van elektrische lading of warmte plaatsvindt in een materiaal

Warmtestroming

"Warmteoverdracht

Warmtestraling

Warmtestraling is elektromagnetische straling die een object uitzendt als gevolg van de temperatuur van het object.

Elektromagnetische straling

Elektromagnetische straling is het bewegen van elektrische en magnetische trillingen door de ruimte. Deze elektrische en magnetische trillingen staan loodrecht op elkaar.

Isoleren

Isolatie houdt warmte of koelte binnen bijvoorbeeld een huis

Elektrische dompelaar

Een dompelaar is een elektrisch verwarmingselement

Straling

Elektromagnetische straling die een object (de zon) uitzendt als gevolg van de temperatuur van het object.

Stroming

Moleculen nemen warmte mee van de ene naar de andere plaats.

Verbranding

Bij verbranding vindt er een reactie plaats tussen een brandstof en zuurstof en hierbij komt energie vrij in de vorm van warmte en licht. Daarnaast is er een ontstekingsbron nodig om de verbranding te kunnen beginnen. Denk maar aan een kampvuur

Warmtebron

Om iets te verwarmen heb je een warmtebron nodig. Voorbeeld van een warmtebron: een gasbrander

D.1 Warmte en Milieu

Samenvatting voor NaSk 1: Warmte


Warmtebronnen

Het eerste onderwerp waar we het in deze samenvatting over gaan hebben is warmte. Warmte komt altijd voort uit een bron. Er is een aantal warmtebronnen die jullie moeten kennen op je eindexamen. We gaan ze nu om de beurt doornemen. 


1. De kachel. Een kachel is een apparaat waarmee een ruimte wordt verwarmt. Een kachel zet dus energie om in warmte. 


2. Het fornuis. Een warmtebron die veel voorkomt in Nederland is het fornuis. Een fornuis is een kooktoestel met een x aantal gaspitten. We gebruiken de fornuis als warmtebron om ons eten klaar te maken.


3. Vloerverwarming. Een veel al meer luxe warmtebron is de vloerverwarming. Het is eigenlijk een soort kachel onder de vloer, die bedoeld is om de ruimte boven de vloer te verwarmen. En natuurlijk om nooit meer koude voeten te hoeven hebben. 


4. Een gasbrander. Een gasbrander is een apparaat dat we veel zien bij het kamperen of in het scheikunde lokaal. Een gasbrander is een apparaat dat gas verbrandt en omzet in warmte. 


5. Elektrische kookplaat. Een elektrische kookplaat is de elektrische tegenhanger van het fornuis. De elektrische kookplaat wordt dus ook gebruikt om te koken, maar dan doordat elektriciteit wordt omgezet in warmte in plaats van gas. Met de warmte wordt dan weer de pan verwarmd, waardoor we kunnen koken. 


6. Elektrische dompelaar. De laatste warmtebron die jullie moeten kennen is de elektrische dompelaar. Een elektrische dompelaar is een verwarmingselement dat je in water of een andere vloeistof kan worden gedompeld om deze op te warmen. 


Waarmee meet je warmte?

Nu hebben we de verschillende warmtebronnen die jullie moeten kennen doorgenomen. Op jullie eindexamen moeten jullie ook weten met welke meetinstrumenten we warmte kunnen meten.


Thermometer

De eerste die jullie moeten kennen is de thermometer; deze kennen de meeste van jullie waarschijnlijk al. Een thermometer is een instrument dat de temperatuur meet. We gebruiken een thermometer zowel om onze lichaamstemperatuur te meten, als de lucht om ons heen. 


Temperatuursensor

Het tweede en meteen ook laatste instrument dat jullie moeten kennen is de temperatuursensor. Het woord ‘sensor’ is hierin belangrijk en meteen ook een soort ezelsbruggetje. De sensor in de temperatuursensor voelt namelijk de temperatuur aan, en zet deze om naar een elektrisch signaal. Deze sensoren worden vooral gebruikt op plaatsen waar de temperatuur automatisch geregeld moet worden. Deze temperatuursensoren komen we voornamelijk tegen in ventilatie en airconditioning. 


De schaal van Kelvin

Als wij het in Nederland hebben over de temperatuur dan spreken we over graden Celsius. In de Verenigde Staten hebben ze het over Fahrenheit als ze het over de temperatuur hebben. In de wetenschap vonden we het belangrijk om de meest wetenschappelijke manier van meten van de temperatuur te gebruiken, namelijk Kelvin. Dus nog één keer: in de wetenschap meten we de temperatuur met Kelvin. De afkorting voor Kelvin is de letter K.


De schaal van Kelvin is gebaseerd op het absolute nulpunt. Als we het hebben over het absolute nulpunt, dan spreken we over de laagste temperatuur de theoretisch gezien mogelijk is. Afgerond is de laagst mogelijke temperatuur -273 graden Celsius. Maar: op de schaal van Kelvin spreken we dus van 0, oftewel 0 K. Hoe sneller moleculen in een stof bewegen hoe hoger de temperatuur. Als de molecuul stopt met bewegen, is het absolute nulpunt bereikt en kan de molecuul niet kouder worden. De molecuul kan dan dus niet nog kouder worden, want hij staat al stil. De temperatuur van Kelvin kan dus niet onder de 0 komen. 


Om uit te rekenen wat de temperatuur in Kelvin is aan de hand van de graden Celsius, is er een redelijk eenvoudige formule. De temperatuur in Kelvin is de temperatuur in Celsius + 273. Dus als het -2 graden Celsius is dan is de temperatuur in Kelvin -2 + 273 = 271. Als de temperatuur in graden Celsius 23 is dan is de temperatuur in Kelvin 23 + 273 = 296.


Warmtetransport 

Een temperatuurverandering komt door de toevoer of afvoer van warmte. Op het moment dat twee dingen verschillende temperaturen hebben wordt een warmtetransport mogelijk. Er is sprake van een warmtetransport als de energie, oftewel warmte, van iets met een hogere temperatuur naar iets met een lagere temperatuur stroomt. Er zijn drie mogelijke manieren waarop warmtetransport kan plaatsvinden. 


1.    Geleiding

De eerste die we gaan doornemen noemen we geleiding. We spreken van geleiding als er binnen een stof warmtetransport plaats vindt. Binnen de stof stroomt warmte vanuit de deeltjes met een hogere temperatuur naar de deeltjes met een lagere temperatuur. Het gaat dus om de geleiding van de warmte binnen een stof. 


2.    Warmtestroming

De tweede die jullie moeten kennen is de warmtestroming. Bij warmtestroming wordt er warmte doorgegeven door de verplaatsing van materiaal. Stel je voor: er staat een pan op het vuur. De onderkant van de pan wordt dan warm en die warmt dan het water in de pan op. Het warme water stijgt dan op, en dit zorgt ervoor dat de warmte ook bovenin komt en dus al het water in de pan wordt verwarmd. Een warmtestroming gaat dus over de verplaatsing van moleculen, waarbij ze hun warmte meenemen en afgeven aan de andere moleculen. Opstijgende warme lucht is een ander voorbeeld van een warmtestroming. Zo is in de sauna de lucht bovenin ook altijd warmer dan onder in de sauna. 


3.    Warmtestraling

De laatste die jullie moeten kennen is warmtestraling. Warmtestraling is het warmtetransport tussen twee dingen die niet met elkaar in aanraking staan, zonder gebruik te maken van een tussenstof. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de grootste warmtebron die wij kunnen zien: de zon! De straling van de zon komt zonder hulp op de aarde terecht, en daar krijgen wij onze warmte vandaan. De zon geeft elektromagnetische straling af, wij als mens absorberen deze straling en zetten deze om in warmte. De straling die van de zon afkomt noemen we infraroodstraling. Als we dus spreken van warmtestraling, hebben we het over een warmte overdracht tussen twee lichamen die niet met elkaar in aanraking zijn, zonder gebruik van een tussenstof en zonder de verplaatsing van moleculen. 


Op het moment dat we warmte toevoeren, zorgt dit ervoor dat de temperatuur stijgt. Het is natuurlijk wel zo dat de ene stof hier harder op reageert dan de andere. Denk bijvoorbeeld aan een stuk hout in de zon en een stuk metaal in dezelfde zon. De stoffen worden blootgesteld aan de zelfde hoeveelheid warmte, toch zal het stuk metaal meer in temperatuur stijgen dan het stuk hout. De temperatuurstijging hangt samen met de verschillen in massa van stoffen. 


Isolerende maatregelen

Op het eindexamen wordt er van jullie verwacht dat jullie kunnen uitleggen wat de werking van verschillende warmte isolerende maatregelen zijn. De eerste die we behandelen is de isoleerkan, beter bekend als de thermoskan. Als je de thermoskan zou ontleden, bestaat hij eigenlijk uit twee flesjes: een binnenste en een buitenste. Doordat tussen beide flesjes geen warmtetransport mogelijk is, blijft de temperatuur in het binnenste flesje gelijk aan de vloeistof die je er in doet. Hierdoor is de thermoskan de perfecte manier om bijvoorbeeld koffie warm te houden, maar werkt het ook met een koude ijsthee. 


Isolatie is een manier om ervoor te zorgen dat er in jouw huis niet teveel warmte verloren gaat. We gebruiken isolatie om zo de overdracht van warmte tussen twee zijden van een materiaal te verminderen. 


Een meer specifieke vorm van isolatie is de spouwmuurisolatie. Een spouw is het stuk tussen twee muren in je huis, dus tussen de binnen en de buitenmuur. Doordat dit stuk tussen beide muren open is, is er eigenlijk altijd sprake van luchtstromingen. Door isolatie materiaal aan te brengen tussen beide muren zorg je ervoor dat de warmte binnenshuis blijft, en dit zorgt weer voor energiebesparing!


Een andere manier om geld te besparen is door radiatorfolie te gebruiken. Radiatorfolie plak je achter je radiator en zorgt ervoor dat de warmte die de radiator uitstoot in de goede richting gestuurd wordt. Hierdoor wordt de warmte niet alle kanten op gestuurd, maar juist naar waar jij de warmte wilt hebben. Door radiatorfolie te gebruiken zorg je ervoor dat er veel minder warmte verloren gaat. 


Deze warmte-isolerende maatregel is een stuk minder spannend maar toch ook zeker handig. Namelijk de handgreep van een pan, doordat de handvaten de warmte niet geleiden kun je deze vastpakken ook tijdens het koken. Stel je voor als dat niet zo zou zijn: een eitje bakken zou dan een hele opgave worden. 


De laatste warmte isolerende maatregel is ook een weer een grote verdiener, namelijk: dubbel glas. Bij dubbelglas wordt een raam of deur niet met een enkel stuk glas gemaakt, maar met twee verbonden stukken glas. Tussen beide stukken glas zit een luchtdicht stuk. Behalve als warmte isolatie, werkt dubbelglas ook een stuk beter tegen geluid dan enkel glas. Dus zowel als warmte isolatie als geluidsisolatie.