i-q s m Ze geeft de warmtehoeveelheid aan die nodig is om de eenheidsmassa van de stofte doen smelten.

Transcriptie

1 De meeste stoffen kunnen in de drie volgende fasen voorkomen: vaste fase, vloeibare fase en gasvormige fase. Deze drie fasen noemt men de aggregatietoestanden van de stof. Of een bepaalde stof vast, vloeibaar of gasvormig (dampvormig) is, hangt in de eerste plaats van haar temperatuur af. Zo is de stof water in de evenaarsgebieden hoofdzakelijk als vloeistof bekend, in de poolstreken als vaste stof. Door warmte op te nemen of af te geven kan een stof van aggregatietoestand veranderen: ze ondergaat een faseovergang. De warmte waardoor een faseovergang ontstaat, heet latente warmte ofovergangswarmte. Smelten en stollen In 'Fysica Vandaag 3' hebben we aangetoond dat: - iedere zuivere stof bij voldoende temperatuurverhoging zal smelten, mits er geen scheikundige ontbinding plaats grijpt; - iedere zuivere stof onder een bepaalde druk een welbepaalde smelt- en stoltemperatuur heeft. Onder smelt- en stoltemperatuur bij normtoestand verstaan we die temperatuur waarbij de zuivere stof onder een drukvan Pa het smeltings- of stollingsverschijnsel vertoont; - smelt- en stoltemperatuur gelijk zijn als de druk dezelfde is; - tijdens het smelten en het stollen de temperatuur constant blijft; - een stof, die smelt, warmte opneemt (smeltingswarmte); een stof die stolt, warmte afgeeft (stollingswarmte). SOORTELIJKE SMELTINGSWARMTE De specifieke of soortelijke smeftingswarmte /s van een stof is de verhouding van de bij de smelttemperatuur opgenomen warmtehoeveelheid tot de hierdoor gesmolten massa van de stof: ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^m^m^^^^^^^f^mjj^^^^m^m^f^^g^^^^^m i-q s m ^^^^^_m^ ^^^^ ^_^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^_ Ze geeft de warmtehoeveelheid aan die nodig is om de eenheidsmassa van de stofte doen smelten. GROOTHEID SYMBOOL EENHEID Soortelijke smeltingswarmte ', "J-Fg De warmtehoeveelheid, nodig om een massa m van een stofte doen smelten, is dan: Q = /. m 176 FASEOVERGANGEN

2 De tabel geeft de smelttemperatuur en de soortelijke smeltingswarmte weer van enkele stoffen bij de normdruk. SOORTELIJKE SMELTINGSWARMTE VAN ENKELE STOFFEN Aluminium Benzeen Fosfor Goud Koper Kwik Lood Nafta leen Nikkel Pa ra f fine Platina Tin Wol f raam Us Ijzer Zilver Zink Zwavel Stof ös ( C) 659 5,50 44, , , , l ^ (103^-) kgj , ,8 24, , ENERGIEBESCHOUWINGEN In een vaste stof zijn de deeltjes regelmatig in de ruimte geordend: de vaste stof vertoont een kristalstructuur. Bij verwarming wordt van buiten uit energie toegevoerd, waardoor de deeltjes heviger rond hun evenwichtsstand gaan trillen; hierdoor zet de stof uit. De afstand tussen de deeltjes onderling wordt groter, maar de cohesiekrachten tussen de deeltjes onderling zorgen ervoor dat de stof nog vast blijft. Bij verdere verwarming zullen de cohesiekrachten afnemen en de deeltjes zullen hun vaste plaats in de kristalstructuur verlaten. De stof gaat van de vaste naar de vloeibare toestand over: ze smelt. De toegevoerde warmte dient dus hoofdzakelijk om de cohesiekrachten tussen de deeltjes te verminderen en aldus de faseovergang mogelijk te maken. Dit verklaart waarom de temperatuur constant blijft. We dienen nochtans op te merken, dat niet alle toegevoerde warmte in inwendige energie wordt omgezet. Een gedeelte dient om uitwendige arbeid te leveren tegen de buitendruk, daar het volume vergroot. In formulevorm: = AU+ W FASEOVERGANGEN

3 OPDRACHT 1 ywaarom is ijs een heel goed koelmiddel? Geef een aantal voorbeelden! OPDRACHT 2 y)e soortelijke smeltingswarmte van ijs bij O C is de warmtehoeveelheid die nodig is: H om ijs op O C om te zetten naar water op O C; O om 1 kg ijs op O C om te zetten naar water op O C; H om 1 m3 ijs op O C om te zetten naar water op O C; J om de temperatuur van ijs op -1 C met 1 C te verhogen. >RACH>T3y Naftaleen bevindt zich oorspronkelijk in gesmolten toestand. Men laat het afkoelen. Het verloop van de Celsiustemperatuur Q als functie van de tijd is op de figuur voorgesteld. Welke van de volgende uitspraken is juist? \ Qj In de vaste fase koelt naftaleen sneller af dan in de vloeibare fase. l In het gebied QR neemt naftaleen warmte op. H In het gebied QR verandert de temperatuur voortdurend. Het stollingsproces duurt 8 min. O f (min) OPDRACHT 4 yiemand heeft drie kogeltjes l, II ' en lii die elk een massa hebben van 50,0 g maar van verschillend metaal zijn. Hij brengt ze vaste paraffine alle drie op een temperatuur van 473 K. Onmiddellijk daarna plaatst hij de kogeltjes op een blok vaste paraffine. Dit gebeurt snel zodat geen warmtverlies optreedt. De metalen kogeltjes doen de paraffine smelten. Daardoor zakken ze in de paraffine. Het smeltpunt van de paraffine is 325 K. Op een gegeven moment zakken de kogeltjes niet verder in de paraffine. a Leg uit dat de kogeltjes niet verder zakken als hun temperatuur lager dan 325 K wordt, b Geef een verklaring voor het feit dat de kogeltjes tot verschillend diepten in de paraffine zakken, c Kogeltje II heeft een soortelijke warmtecapaciteit van 0, J/kg K. Bereken hoeveel warmte kogeltje II heeft afgestaan op het moment dat het niet meer verder in de paraffine zakt. FASEOVERGANGEN

4 jln een calorimeter met een warmtecapaciteit van 105 J/K die 500 g water bij \*-/ 20,0 "C bevat, brengen we 100 g ijs op 0,0 C. De eindtemperatuur van het stelsel wordt 4,0 QC. Bereken hieruit de soortelijke smeltingswarmte van ijs. ->, i,r ti> Cm fc ] Bereken de warmtehoeveelheid die er nodig is om 5,0 kg ijs van -21 C orn te zetten \^s in water van 50 C. cm" l 3,00 kg ijs op -18 C worden vermengd met 12,0 kg water op 50,0 C. Bereken de evenwichtstemperatuur. -^.\n blok ijzer van 5,00 kg op een temperatuur van 100 "C wordt in met ijs op 0,0 C gebracht. Hoeveel ijs kan er hierdoor smelten? IHT9 In een calorimeter met een warmtecapaciteit van 30,0 J/K die 250 g water van 5,0 C bevat, brengt men 720 g ijs. Bij thermisch evenwicht is er 30,0 g ijs méér. Bereken hieruit de begintemperatuur van het ijs. grafiek geeft de Celsiustemperatuur weer als functie van de tijd voor 10 g van stof die verwarmd wordt met een constante warmtetoevoer. De stof was oorspronkelijk in vaste toestand en haar soortelijke warmtecapaciteit bedroeg dan J 800 kg-k - Het vermogen waarmee de warmte toegevoerd wordt, is: J 60 W; j 120 W; X 4- w; niet te bepalen. e ( cj De smelttemperatuur van deze stof is gelijk aan: 90 C; LJ 60 C; ~\0 C Haar soortelijke smeltingswarmte bedraagt: LJ 6,0.104J/kg; H 5,4. 10" J/kg; FJ 9,0. 104J/kg; X! 3,6. 104J/kg l(s)

5 OPDRACHT 27 Waarom worden aardappelen vlugger gaar in een kookpan met deksel, dan in een zonder deksel? OPDRACHT 28 Thuis kook je een eitje in een viertal minuten; boven op een hoge berg duurt het heel wat langer, en het is ook nooit echt helemaal gaar. Leg uit. OPDRACHT 29 Wat geldt voor onderstaande beweringen? I Het kookpunt van een vloeistof hangt af van de hoeveelheid vloeistof. II Het kookpunt van een vloeistof hangt af van de warmtehoeveelheid die wordt toegevoerd. J l en II zijn juist. Alleen l is juist. Alleen II is juist. ^] l en II zijn niet juist. OPDRACHT 30 Wat moet in de volgende zin bij (1) en (2) worden ingevuld? Vergeleken met een gewone pan is bij het koken in een snelkookpan de druk (1)... en de temperatuur (2) G (1) hoger (2) hoger; (1) lager (2) hoger; D (1) hoger (2) lager; [j (1) lager (2) lager. OPDRACHT31 Wat moet in de volgende zin bij (1) en (2) worden ingevuld? Hoog in de bergen kookt water bij een (1)... temperatuur dan op zeeniveau, want de luchtdruk in de bergen (2)... _ (1) hogere (2) hoger; (1) lagere (2) hoger; O (1) hogere (2) lager; ~~ (1) lagere (2) lager. OPDRACHT 32 Men plaatst een bekerglas met water van 80 C onder de klok van een luchtpomp. Wanneer de lucht wordt weggepompt, ziet men op een gegeven ogenblik dat er zich in de gehele vloeistof dampbellen vormen, die naar de oppervlakte stijgen. Wat geldt voor onderstaande beweringen? I Het water kookt. II Het water is warmer geworden dan 80 "C. l en II zijn juist. U Alleen l isjuist. [^Alleen II isjuist. l en II zijn niet juist. OPDRACHT 33 Wat moet er in de volgende zin bij (1) en (2) worden ingevuld? Als je aardappelen kookt op grote hoogte, bijvoorbeeld op 4000 m, dan duurt het... (1) voor ze gaar zijn, want het water kookt bij een... (2) temperatuur dan op zeeniveau. (1) korter (2) hogere; i_j (1) langer (2) hogere; ]j (1) korter (2) lagere; (1) langer (2) lagere. FASEOVERGANGEN 201

6 SOORTELIJKE VERDAMPINGSWARMTE Er is warmte nodig om een stof van de vloeibare naar de gasvormige toestand te doen overgaan. Ze dient om de cohesiekrachten tussen de vloeistofdeeltjes te overwinnen en om de volumevermeerdering bij de overgang van vloeistof naar damp te bekomen. Deze warmte wordt verdampingswarmte genoemd. Bij het condenseren van de damp kornt deze warmte weer vrij: het is de condensatiewarmte. De specifieke of soortelijke verdampingswarmte /v van een stof is de verhouding van de bij de kooktemperatuur opgenomen warmtehoeveelheid tot de hierdoor verdampte massa vat de stof; i v -Sm Ze geeft de warmtehoeveelheid aan die nodig is om de eenheidsmassa van de stof bij de kooktemperatuur te doen verdampen. Eenheid: [M = I De warmtehoeveelheid, nodig om bij de kooktemperatuur een massa m van een stofte doen verdampen, is dan: m Water heeft een zeer grote soortelijke verdampingswarmte: bij 100 C is er 2,270 om l kg water in verzadigde damp om te zetten. l O6 J nodig Bepalen van de soortelijke verdampingswarmte van water In een kolf brengen we water aan het koken. Deze kolf is afgesloten met een stop en voorzien van een zijdelingse afvoerbuis. De dampen worden door de zijdelingse afvoerbuis naar de calorimeter geleid, die een zekere hoeveelheid water bevat met massa ml (figuur 9.14). Na een zekere tijd wordt de verbinding met de calorimeter verwijderd en de eindtemperatuur wordt afgelezen. Vervolgens wordt de hoeveelheid water, die zich nu in de calorimeter bevindt, bepaald. Het verschil tussen deze hoeveelheid en de hoeveelheid water bij het begin van de proef in de calorimeter geeft de hoeveelheid gecondenseerde damp aan met massa mr Uit de warmtebalans volgt dan de soortelijke verdampingswarmte van water. FIG Bepalen van de soortelijke verdampingswarmte van water 202 FASEOVERGANGEN

7 De volgende tabel geeft de kooktemperatuur en de soortelijke verdampingswarmte weer van enkele stoffen onder normdruk. STOF 0h («C) / <103 ± ) Benzeen Ether Ethylalcohol Kwik Methylalcohol Na f tal een Terpentijn Tetrachloorkoolstof Water 80,1 34,5 78, , , OPDRACHT 34 Iemand probeert de soortelijke verdampingswarmte van water op de volgende manier te bepalen. Door middel van een elektrische verwarmer met een vermogen van 750 W wordt water verwarmd in een beker die op een balans staat. Het duurt 10,0 min om te zien dat de aflezing op de balans terugvalt van 0,950 kg naar 0,800 kg vanaf het ogenblik dat het water beginnen koken is. De verbruikte energie in deze tijd bedraagt dan: J; H 7,50-103J; L_ 750 J; De soortelijke verdampingswarmte van water bij 100 "C zou dan gelijk zijn aan: H 3, J/kg; C 4,50-106J/kg; ~ 9, J/kg; ~! 7, J/kg. De aangenomen waarde van de soortelijke verdampingswarmte van water bij 100 C is aanzienlijk lager (2, J/kg) dan deze die volgt uit het experiment. Wat zou de persoon in elk geval kunnen doen om de fout te verkleinen? FASEOVERGANGEN 203

8 OPDRACHT 35 Een lage temperatuur in een koelkast wordt verkregen door: J een gas te laten condenseren; een gas vast te laten worden; J een vloeistof te laten stollen; een vloeistof te laten verdampen. OPDRACHT 36 Bij welke twee veranderingen van aggregatietoestand staat een stof warmte af? ~_^] Bij condenseren en bij smelten. J Bij condenseren en bij stollen. _ Bij smelten en bij verdampen. _ Bij stollen en bij verdampen. OPDRACHT 37 Hoe komt het, dat brandwonden, veroorzaakt door hete waterdamp, steeds veel erger zijn dan brandwonden van kokend water? OPDRACHT 38 In een calorimeter met een warmtecapaciteit van 294 J/K brengt men 400 g water op 12,0 C. Men leidt er damp van kokende ethylalcohol in en vindt na verloop van de proef 32,0 g gecondenseerde alcohol. De eindtemperatuur is 28,0 C en de soortelijke warmtecapaciteit van ethylalcohol is 2, J/kg. K. Bereken hieruit de soortelijke verdampingswarmte van ethylalcohol. OPDRACHy 39 JHoeveel damp van kokend water is er nodig om 500 g water van 10,0 C tot 20,0 C te verwannen? OPDRACHT 40 Bereken de totale warmtehoeveelheid nodig om 100 g ijs op -20,0 C om te zetten in waterdamp van 120 "C. De soortelijke warmtecapaciteit van waterdamp is 2, J/kg.K. OPDRACHT 41 Een koperen calorimeter heeft een massa van 550 g. Er bevindt zich 22,5 g ijs bij -20 "C in. Men leidt er damp van kokend water in tot al het ijs gesmolten is. Als de eindtemperatuur dan 5,1 C bedraagt, bepaal dan de hoeveelheid waterdamp die tijdens deze proef gecondenseerd werd. OPDRACHT 42 Hoeveel kg steenkool zijn er nodig om 200 l water van 20,0 C om te zetten in damp van 100 C, als men weet, dat de verbranding van steenkool 3, J/kg energie oplevert, en het rendement van de installatie 75 % bedraagt? v