De temperatuur van de materie is een maat voor de gemiddelde snelheid van de materiedeeltjes en dus de inwendige kinetische energie.

Transcriptie

1 Hoofdstuk 6: Warmte 6.1 Inwendige energie en warmte Deeltjesmodel De materiedeeltjes van elk voorwerp hebben een thermische beweging. Hierdoor bezitten voorwerpen inwendige kinetische energie. De materiedeeltjes bevinden zich ook in het cohesiekrachtveld van naburige deeltjes. Hierdoor bezit het voorwerp inwendige potentiële energie. De temperatuur van de materie is een maat voor de gemiddelde snelheid van de materiedeeltjes en dus de inwendige kinetische energie. Een kopje hete thee heeft een hoge temperatuur : de gemiddelde inwendige kinetische energie van het kopje is hoger dan die van de luchtdeeltjes er rond. De temperatuur van de kamer is immers lager. Als zo een luchtdeeltje met weinig kinetische energie botst tegen een deeltje van het theekopje met veel kinetische energie, dan krijgt dat luchtdeeltje na de botsing een grotere snelheid en dus meer kinetische energie. De materiedeeltjes van het kopje trillen daarna minder hard, ze hebben een deel van hun inwendige energie afgegeven, hun snelheid is lager, waardoor hun kinetische energie afgenomen is. Door deze overdracht van kinetische energie is de temperatuur van het kopje gedaald en de temperatuur van de omringende lucht toegenomen. Er wordt dus energie overgedragen van voorwerpen met een hogere temperatuur naar voorwerpen met een lagere temperatuur. Deze overgedragen energie noemt men warmte. Deze energieoverdracht gebeurt zo lang tot de temperatuur van beide voorwerpen gelijk is. Als de temperatuur van beide voorwerpen gelijk is zijn ze in thermisch evenwicht. Dan is de gemiddelde kinetische energie van beide voorwerpen gelijk. Warmte is de energie die overgedragen wordt van materie met hogere temperatuur naar materie met lagere temperatuur. Het symbool voor warmte is Q en de eenheid is dezelfde als voor energie: Warmte is dus geen aparte vorm van energie. Voorwerpen kunnen dan ook geen warmte bezitten, enkel overdragen Warmteoverdracht De overdracht van inwendige energie kan gebeuren via botsingen van materiedeeltjes zoals hierboven beschreven. Dan spreekt men van geleiding. Deel 6: Warmte 37

2 De overdracht van inwendige energie kan ook gebeuren door verplaatsing van materie met hoge temperatuur. Dan spreekt men van stroming. Een voorbeeld is het warme water van de centrale verwarming dat vanuit de verwarmingsketel via de leidingen naar de radiatoren wordt verplaatst. Een derde manier van overdracht is straling: daarvoor is geen materie nodig, er zijn dus geen botsingen en geen verplaatste materie. Een voorbeeld is de energie die van de zon naar de aarde wordt gestraald: tussen de aarde en de zon is er een luchtledige ruimte Merkbare en latente warmte We maken een pot water warm boven een gasvuur. De temperatuur van de vlam is hoger dan die van de pot water en er is dus warmteoverdracht van de vlam naar de pot. We merken de temperatuurstijging van de waterpot op en kunnen die meten met een thermometer. Als een voorwerp warmte opneemt of afstaat en als daardoor de temperatuur van het voorwerp wijzigt, dan noemt men die warmte merkbare warmte. Als het water in de pot begint te koken is er nog steeds warmteoverdracht: de vlam is heter dan het water. Met onze thermometer stellen we vast dat de temperatuur van het water Als een voorwerp warmte opneemt of afstaat en het voorwerp zijn temperatuur wijzigt daarbij niet, dan noemt men die warmte latente warmte efeningen 1) Duid op de figuur hiernaast de warmteoverdracht aan door straling, geleiding en stroming. 2) Wat bezit het meeste warmte, een glas koud water of een kopje hete thee? 3) In een kamer met enkel glas in de ramen voelt men in de winter dat de lucht nabij de ramen kouder is. Men zegt wel eens dat de koude door het venster komt. Dit klopt nochtans niet. Wat gebeurt er fysisch wel? 4) Als je in een kamer van 20 C bent verliest je lichaam warmte aan de omgeving. Je voelt dit als je bijvoorbeeld een voorwerp uit steen of metaal in de kamer aanraakt: het voelt koud aan. Maar als je een stuk piepschuim (isomo of frigolite) met dezelfde kamertemperatuur aanraakt voelt dit warm aan. Verklaar. Deel 6: Warmte 38

3 6.2 Warmtecapaciteit Leerlingenproef We warmen een hoeveelheid water op met een elektrische dompelaar. We meten de temperatuurstijging in functie van de overgedragen warmte. We zetten de gegevens in een tabel en maken een T-Q-diagram. Uit de proef blijkt Warmtecapaciteit De constante verhouding tussen de overgedragen warmte en de temperatuurstijging noemen we de warmtecapaciteit van het voorwerp: C = Q / T De eenheid van warmtecapaciteit volgt uit de formule: Door verlies van warmte aan de omgeving is de warmtecapaciteit die in de proef bepaald werd groter dan de werkelijke warmtecapaciteit Soortelijke warmtecapaciteit Als de bovenstaande proef zou herhaald worden met twee keer zo veel water, hoeveel energie zou er dan nodig zijn om dat water eenzelfde temperatuurstijging te geven? Er is een verband tussen de warmtecapaciteit van een voorwerp en zijn massa. Bijgevolg is de verhouding van de warmtecapaciteit en de massa een Als de bovenstaande proef zou herhaald worden met een andere stof als water, zou de temperatuurtoename even groot zijn voor eenzelfde hoeveelheid energie? De warmtecapaciteit is dus ook afhankelijk van De constante verhouding tussen de warmtecapaciteit en de massa noemen we de soortelijke warmtecapaciteit van de materie waaruit het voorwerp is gemaakt: c = C / m De eenheid van de soortelijke warmtecapaciteit volgt uit de formule: Als de soortelijke warmtecapaciteit, de temperatuurverandering en de massa van een voorwerp gekend zijn kan men de merkbare warmte berekenen met de formule: Q = c.m. T Deel 6: Warmte 39

4 Tabel soortelijke warmtecapaciteit Stof c (J/kg.K) Stof c (J/kg.K) Ethanol 2,43.10³ Lood 1,28.10² Kwik 1,38.10³ Aluminium 8,96.10² lie 1,65.10³ Koper 3,86.10² Water 4,18.10³ IJzer 4,48.10² IJs 2,22.10³ Goud 1,31.10² Zeewater 3,93.10³ Zand 8,00.10² Parafine 2,89.10³ Beton 9,0.10² Lucht (p=cte bij 20 C) 1,00.10³ Hout 1,9.10³ Wat stel je vast over de soortelijke warmtecapaciteit van metalen ten opzichte van andere stoffen? Dat wil zeggen dat metalen GEMAKKELIJKER / MEILIJKER opwarmen dan andere stoffen. Welke stof heeft de grootste soortelijke warmtecapaciteit? Hoe groot is deze soortelijke warmtecapaciteit: c water = Hoe groot is de soortelijke warmtecapaciteit die je voor water gemeten hebt in de proef? Hoe verklaar je het verschil? efeningen 1) Het klimaat in ons land wordt gemilderd door de nabijheid van de Noordzee: in de zomer zijn de temperaturen niet te hoog en in de winter niet te laag. In Berlijn en zeker Moskou, die ongeveer op dezelfde breedtegraad liggen zijn de temperaturen veel extremer. Verklaar. 2) Als de zon op het strand schijnt wordt het zand soms zo heet dat men er nauwelijks op kan lopen. Het zeewater dat nochtans aan dezelfde zon is blootgesteld blijft veel koeler. Verklaar. 3) Elektrische verwarming is niet erg ecologisch en ook relatief duur. m kosten te sparen wordt gewerkt met accumulatiekachels. Zo n kachel gaat aan s nachts aan een goedkoop elektrisch tarief elektrische energie omzetten in warmte en die opslagen. verdag, als men de kamer wil verwarmen wordt de warmte afgegeven. Vul de werking van zo n accumulatiekachel aan het de gegeven woorden: luchtkanalen, overdag, vuurvaste stenen, isolatielaag, ventilator, warmtecapaciteit, thermostaat, verwarmingselementen. Zo een kachel bestaat uit een grote hoeveelheid materiaal met een grote Hiervoor gebruikt men vaak Door de kachel lopen elektrische die s nacht de elektrische energie omzetten. Rond de kachel zit een thermische Door de stenen lopen ook Een zet overdag een in werking die de lucht door de kanalen blaast. p koude dagen kunnen de verwarmingselementen ook bij aangezet worden. Deel 6: Warmte 40

5 6.3 Warmtehoeveelheid pgenomen en afgegeven warmte worden altijd als positieve waarden weergegeven. De temperatuur van een voorwerp dat merkbare warmte opneemt zal stijgen van T 0 naar T e, waarbij T 0 de begintemperatuur is en T e de eindtemperatuur. In dat geval is: Q opgenomen = c.m. T = c.m. (T e T 0 ) De temperatuur van een voorwerp dat merkbare warmte afgeeft zal dalen van T 0 naar T e. In dat geval is: Q afgegeven = c.m. T = c.m. (T 0 T e ) efeningen 1) Men warmt 1,00 liter water van 0,0 C op tot het kookpunt. Berekend de hoeveelheid energie die men moet toevoegen als er geen energie verloren gaat naar de omgeving. 2) Een leeg zwembad heeft een warmtecapaciteit van 10, J/K. De afmetingen van het bad zijn 1,8 meter op 4,0 meter op 6,0 meter. Hoeveel energie kost het om het met water gevulde zwembad op te warmen van 16,0 C tot 22,0 C. 3) Nadia is gelukkig met haar nieuw elektrisch vuur. Het duurt maar 4,00 minuten om 0,500 liter water van 20,0 C in een ijzeren pot van 0,750 kg aan de kook te brengen. De verbruikte elektrische energie bedraagt 2, J. Bereken het rendement van de energieomzetting. 4) In de middeleeuwen gebruikte men olie van 297 C tegen vijanden die de kasteelmuren probeerden te beklimmen. Waarom werd geen kokend water gebruikt? m de vraag te beantwoorden bereken je de verhouding van de afgegeven warmte door de olie tot de afgestane warmte door het water. Neem als eindtemperatuur in beide gevallen 37 C De calorimeter Een calorimeter is een thermisch goed geïsoleerd vat dat gebruikt wordt om warmteproeven mee te doen. Door de isolatie wordt er geen warmte uitgewisseld met de omgeving. Vaak is er een (elektrisch) opwarmingselement aanwezig en zijn er in het deksel openingen voor een thermometer en een roerder. Als men nauwkeurige metingen wil doen is het van belang dat men de warmtecapaciteit (C) van de calorimeter zelf kent Het vat en de andere onderdelen zullen zelf immers ook van temperatuur veranderen. Soms is de warmtecapaciteit op de calorimeter genoteerd, maar hij kan ook experimenteel bepaald, worden. Deel 6: Warmte 41

6 6.3.3 Behoud van warmte in een calorimeter In een calorimeter worden vaak proeven gedaan waarbij men warme en koude voorwerpen samenvoegt en de eindtemperatuur meet. Vermits er in een goed geïsoleerde calorimeter geen warmte wordt uitgewisseld met de omgeving wordt de wet van behoud van energie: Q afgegeven = Q opgenomen Dit is de energiebalans of de warmtebalans: de totale afgegeven warmte door de voorwerpen met de hoogste temperatuur is gelijk aan de totale opgenomen warmte door de voorwerpen met de laagste temperatuur. De eindtemperatuur bij evenwicht is voor de calorimeter en alle voorwerpen er in hetzelfde: T e efeningen 1) Men voegt 0,400 liter water van 25 C bij 0,600 liter water van 85 C. Bereken de evenwichtstemperatuur als er geen warmte verloren gaat naar de omgeving. 2) Men voegt bij 0,400 liter water van 25 C 0,200 kg koper met een temperatuur van 85 C. Bereken de evenwichtstemperatuur als er geen warmte verloren gaat naar de omgeving. 3) Een calorimeter met een onbekende warmtecapaciteit C bevat een massa m k koud water met een temperatuur T k. De soortelijke warmtecapaciteit van c water is bekend. Doe er een massa m w warm water met een temperatuur T w bij. Het koud water en de calorimeter nemen warmte op. Hun temperatuur stijgt tot T e, de eindtemperatuur bij evenwicht. Het warm water geeft warmte af en bereikt dezelfde eindtemperatuur. Stel een formule op om de warmtecapaciteit van de calorimeter (C) te berekenen. 4) Bepaling van de warmtecapaciteit van een vaste stof met een calorimeter (C = 180J/K). In de calorimeter zit m 1 = 0,300 kg water met een begintemperatuur T 1 = 18,0 C. Dan breng je er een massa m 2 = 0,200 kg verwarmde metaalsnippers in. Dit metaal is in kokend water verwarmd, zodat zijn temperatuur T 2 = 100 C is. Het verwarmde metaal staat warmte af. Het water en de calorimeter nemen deze warmte op. Bij thermisch evenwicht is de temperatuur in de calorimeter T e = 22,8 C. Stel de formule op om de soortelijke warmtecapaciteit van het metaal (c 2 ) te berekenen. 5) De oma van Roodkapje gebruikt een warmwaterkruik om in de winter haar koude voeten te verwarmen. De oma van Klein Duimpje een even grote zak met warm zand. De begintemperatuur van het zand en het water is hetzelfde. De soortelijke warmtecapaciteit van zand is 5 keer kleiner dan die van water, maar de dichtheid van zand is 3 maal groter dan die van water. Wie haar voeten worden het meest verwarmd? 6) In een calorimeter met C = 100 J/K zit 0,20 kg water van 20 C. Hoeveel aluminium van 100 C moet men er aan toevoegen om een eindtemperatuur van 25 C te bekomen. (c Al = 8,8.10² J/kgK) Deel 6: Warmte 42

7 Begrippen Warmte en overgedragen energie Temperatuur Deeltjesmodel Inwendige kinetische energie en inwendige potentiële energie Thermisch evenwicht Geleiding, stroming en straling Merkbare warmte en latente warmte Warmtecapaciteit en soortelijke warmtecapaciteit Kennen en kunnen Je kan de begrippen warmte en overgedragen energie, temperatuur, deeltjesmodel, inwendige kinetische energie en inwendige potentiële energie, thermisch evenwicht, geleiding, stroming en straling, merkbare warmte en latente warmte, warmtecapaciteit en soortelijke warmtecapaciteit uitleggen en gebruiken. Je kan oefeningen oplossen over warmteoverdracht. Je kan met het deeltjesmodel stap voor stap gedetailleerd uitleggen waarom en hoe een voorwerp door geleiding opwarmt of afkoelt. Je weet dat water de grootste soortelijke warmtecapaciteit heeft. Je kan oefeningen oplossen over (soortelijke) warmtecapaciteit. Je kan de werking en enkele toepassingen van een calorimeter uitleggen. Je kan vraagstukken m.b.t. warmtecapaciteit, soortelijke warmtecapaciteit, warmteoverdracht en warmtebalansen oplossen: gegeven en gevraagde onderscheiden, het gebruik van formules en SIeenheden, rekenen met beduidende cijfers en nauwkeurigheid, en dat alles met een correcte notatiewijze. Deel 6: Warmte 43

8 6.4 Faseovergangen Smelten en stollen Materie komt voor in 3 verschillende fasen: vast, vloeibaar en gas of damp. Door de temperatuur te verhogen kan men een vaste stof omzetten in een vloeistof en een gas. Door een gas af te koelen kan het worden omgezet in een vloeistof en een vaste stof. Smelten is het overgaan van de vaste fase naar de vloeistoffase. m te smelten moet de vaste stof warmte PNEMEN UIT / AFGEVEN AAN de omgeving. Deze warmte noemt men de smeltwarmte. Stollen is het overgaan van de vloeistoffase naar de vaste fase. Daarvoor moet de vloeistof warmte PNEMEN UIT / AFGEVEN AAN de omgeving. Deze warmte noemt men de stolwarmte. Tijdens het smelten en het stollen komt de stof in beide fasen voor. De smeltcurve geeft het verloop van de temperatuur van de stof tijdens het smelten. De stolcurve geeft het temperatuurverloop tijdens het stollen van de stof. T T vloeibaar smelten vloeibaar stollen vast vast + vloeibaar vast + vloeibaar vast t t Tijdens het smelten en stollen van een zuivere stof blijft de temperatuur constant. Deze temperatuur noemt men de smelttemperatuur of de stoltemperatuur (T m ). Voor eenzelfde stof zijn de smelt- en stoltemperatuur gelijk. Vermits de temperatuur tijdens het stollen en smelten constant blijft is, zijn de smeltwarmte en de stolwarmte LATENTE / MERKBARE warmtes. ok de smelt- en stolwarmte van eenzelfde stof zijn even groot Zowel de smelttemperatuur en de smeltwarmte hangen af van de aard van de stof. Hun waardes zijn stofeigenschappen. Deel 6: Warmte 44

9 6.4.2 efeningen 1) m een stof te koelen is een koelmiddel nodig. Een koelmiddel heeft een HGERE / LAGERE temperatuur dan de stof die gekoeld wordt. Een koelmiddel gaat warmte PNEMEN / AFSTAAN. Wat is het koelmiddel voor het water in de vijver wanneer het bevriest in de winter? 2) Als je ijs in een pot verwarmt op een groot vuur kan het zijn dat het smeltwater al kookt terwijl er nog ijs is. Nochtans is de smelttemperatuur 0 C en de kooktemperatuur 100 C. Toch is dit mogelijk omdat: het geen zuiver ijs is: de onzuiverheden zorgen ervoor dat het ijs langer in vaste toestand blijft n het smeltwater sneller gaat koken. de soortelijke smeltwarmte van ijs is kleiner dan de verdampingswarmte van water en daarom kookt het smeltwater sneller dan het ijs kan smelten het smeltwater de warmte opneemt omdat de warmteoverdracht in de vloeistof beter is dan in het vaste ijs want in een vloeistof is zowel geleiding als stroming mogelijk, terwijl in een vaste stof enkel geleiding kan Inwendige energie bij smelten en stollen In de vaste fase oefenen de materiedeeltjes een sterke CHESIEKRACHT / ADHESIEKRACHT op elkaar uit. Die houdt de stof samen. Als de temperatuur stijgt, trillen de materiedeeltjes HARDER / ZACHTER en neemt hun kinetische energie TE / AF. m zich uit de vaste stof vrij te maken en zich vrij te kunnen bewegen als vloeistof, moet een materiedeeltje over voldoende energie beschikken. Bij het smelten en stollen is de temperatuur van de vaste stof en de vloeistof even groot. Dus is ook de gemiddelde kinetische energie van de materiedeeltjes in beide fasen even groot. Bij het smelten wordt de smeltwarmte dus niet omgezet in een toename van de inwendige kinetische energie van de stof. Voorwerpen bevatten potentiële energie als ze zich in een krachtveld bevinden. Bij het smelten verandert de cohesiekracht van de deeltjes en dus ook de inwendige potentiële energie. Bij het smelten wordt de smeltwarmte dus volledig omgezet in een toename van de inwendige potentiële energie van de stof. In de vloeistoffase kunnen de materiedeeltjes vrij van elkaar bewegen en is hun potentiële energie groter dan in de vaste fase efeningen 1) Tijdens het smelten kunnen de gesmolten deeltjes vrij van elkaar bewegen. Waarom mag je toch beweren dat de smeltwarmte niet wordt omgezet in een toename van kinetische energie? 2) Waarom besproeien tuinders hun planten met water wanneer er nachtvorst dreigt? 3) Smelt- en stolwarmte zijn MERKBARE / LATENTE warmte. Deel 6: Warmte 45

10 6.4.5 Soortelijke smeltwarmte Een ijsblokje smelt snel in je glas, maar een ijsberg heeft maanden nodig om te smelten. En als ijs van 0 C twee maal meer warmte opneemt zal het twee maal sneller smelten. Er is dus een lineair verband tussen de opgenomen smeltwarmte en de gesmolten massa. Bijgevolg is de verhouding van de twee een constante. Die constante is afhankelijk van de aard van de stof en noemen we de soortelijke smeltwarmte: L m = Q / m De eenheid van de soortelijke smeltwarmte is: [L m ] = De soortelijke smeltwarmte is een stofeigenschap. mgevormde formule om de smeltwarmte te berekenen: Q = efeningen 1) Uit de tabellen blijkt dat de soortelijke smeltwarmte van ijs GRTER / KLEINER is dan die van metalen. 2) Uit de tabellen blijkt dat de soortelijke smeltwarmte van stoffen hoger is als hun smelttemperatuur hoger is: JUIST / FUT. 3) De smeltwarmte om 3,0 kg goud te smelten is, in vergelijking met de smeltwarmte om 1,0 kg wolfraan te smelten: ongeveer drie maal groter een beetje groter even groot een beetje kleiner 4) Je doet 20,0 g ijs van 0,0 C in een 250,0 g water van 18,0 C. Bereken de eindtemperatuur als er geen warmte-uitwisseling is met de omgeving Verandering van volume en dichtheid bij het smelten Het volume van de meeste stoffen STIJGT / DAALT tijdens het smelten en zal dus TENEMEN / AFNEMEN bij het stollen. Dat komt omdat de cohesiekrachten in de vaste stof GRTER / KLEINER is dan in de vloeistof. Water is een uitzondering op deze regel: water ZET UIT / KRIMPT als het stolt en ijs zal bij het smelten in volume TENEMEN / AFNEMEN. Dit is te verklaren door de waterstofbruggen in het kristalrooster van ijs. Deel 6: Warmte 46

11 Vermits voor de meeste stoffen het volume van de vaste stof kleiner is voor dezelfde massa, zal de dichtheid van de vaste stof GRTER / KLEINER zijn dan die van de vloeistof. Voor water is het net omgekeerd: de dichtheid van ijs is GRTER / KLEINER dan die van water. Een gevolg is dat voor de meeste stoffen de vaste fase DRIJFT P / ZINKT IN de vloeistoffase tijdens het smelten en stollen. Voor ijs is het net omgekeerd: ijs DRIJFT P / ZINKT IN water omdat de dichtheid van het ijs KLEINER / GRTER is dan die van water omdat het volume van ijs KLEINER / GRTER is dan van eenzelfde massa water. paraffine vloeibaar paraffine vast paraffine T m = 54 C water T m = 0 C Invloed van de druk op de smelttemperatuur ver een ijsblok wordt een ijzerdraad gespannen die verzwaard is met twee massa s. Daardoor ondervindt het ijs een grote druk onder de ijzerdraad. Het ijs aan de buitenkant van de blok begint door de omgevingstemperatuur te smelten en is 0 C. Binnenin het ijs blijft het ondertussen kouder, dus in principe onder het smeltpunt. Waarneming: Verklaring: nder de draad smelt het ijs vlugger dan ernaast. Door de druk smelt het ijs gemakkelijker. Dat wil zeggen dat ijs onder druk smelt bij een lagere temperatuur. De smelttemperatuur van ijs daalt dus onder 0 C bij stijgende druk. Dat komt omdat door de drukverhoging de fase bevorderd wordt waar de deeltjes het dichtst bij elkaar zitten. Bij water is dat de vloeibare fase, die een GRTERE / KLEINERE dichtheid heeft dan ijs. Deel 6: Warmte 47

12 m te kunnen smelten moet het ijs onder de draad warmte PNEMEN / AFGEVEN. Die warmte wordt onttrokken aan de warmte die vrijkomt als het smeltwater boven de draad stolt. Doordat de ijzerdaad goed warmtegeleidend is kan die warmte gemakkelijk doorgegeven worden. Als men dezelfde proef doet met een nylondraad die de warmte minder goed geleidt zal het veel trager verlopen. Algemeen: Drukverhoging bevordert het ontstaan van die fase waar de dichtheid het grootst is. Bij ijs betekent dit dat de smelttemperatuur daalt bij een drukverhoging. Bij de meeste andere stoffen betekent dit dat de smelttemperatuur stijgt bij een drukverhoging. De dichtheid van de vloeistoffase is bij de meeste stoffen nl. GRTER / KLEINER dan van de vaste fase. efening: Bij het ijsschaatsen rust je massa op een klein oppervlak en wordt er een KLEINE / GRTE druk op het ijs uitgeoefend. Daardoor DAALT / STIJGT de smelttemperatuur van het ijs en ontstaat er een klein laagje water. De schaats glijdt daardoor bijna zonder wrijving over het ijs. Verklaar waarom het moeilijker schaatsen is bij zeer koud weer: De smeltlijn Een smeltpunt of stolpunt is een toestand waarbij de stof gelijktijdig in vaste en vloeibare fase voorkomt. In een p-t-diagram wordt een smelt- of stolpunt door een punt weergegeven. Alle smelt- en stolpunten van een stof liggen op een lijn: de smeltlijn: de smeltlijn geeft bij elke druk de temperatuur aan waarbij de stof gelijktijdig in de vaste en de vloeibare fase voorkomt. smeltlijn meeste stoffen p vast vloeistof smeltlijn van water p (hpa) ijs water smeltpunt 1013 A T 6,1 273,15 273,16 T (K) Er is een grote drukstijging nodig om een kleine verandering van de smelttemperatuur te bekomen. De smeltlijnen lopen heel stijl. Voor de meeste stoffen helt de smeltlijn naar rechts. Voor water helt de smeltlijn naar links. Veronderstel voor water dat je vertrekt in het smeltpunt A en de pijl naar links volgt: je verlaagt de temperatuur bij constante druk. m de temperatuur te doen dalen moet je warmte AFVEREN / Deel 6: Warmte 48

13 TEVEGEN. Als aan een vloeistof bij haar stolpunt warmte wordt onttrokken, stolt ze. Pas als alle vloeistof gestold is kan de temperatuur verder dalen. Volgt men de pijl vanuit het stolpunt A naar rechts, VERHGT / VERLAAGT men de temperatuur bij STIJGENDE / CNSTANTE / DALENDE druk. Dit doe je door warmte TE TE VEGEN / AF TE VEREN. De hoeveelheid vaste stof in het mengsel zal TENEMEN / AFNEMEN : de stof STLT / SMELT. Pas nadat alle stof GESMLTEN / GESTLD is, zal de temperatuur verder stijgen. In het gebied rechts van de smeltlijn bevindt de stof zich uitsluitend in de VASTE FASE / VLEISTFFASE efeningen 1) De grafiek geeft de smeltlijn van goud weer. p vast vloeistof A In het punt A is het goud: 2 gedeeltelijk vast en gedeeltelijk vloeibaar volledig vast volledig vloeibaar 1 B T of vast, of vloeibaar, of gedeeltelijk vast en vloeibaar men kan het niet weten: dat hangt nl. af van de druk Als het goud zich in toestand B bevindt, wat is dan lijn 1? Welke bewerking stelt lijn 2 voor? Kan je op deze manier alle vloeistoffen omzetten in vaste stoffen? Verklaar je antwoord. 2) Wat heeft de grootste gemiddelde snelheid: een trillend ijsdeeltje bij 0 C, of een waterdeeltje van 0 C? 3) Een ijsemmer om champagne te koelen bevat 500 g water en 800 g ijsblokjes. Hoeveel warmte kan dit mengsel opnemen voor al het ijs gesmolten is. 4) Een elektrische dompelaar van 50 W zit in een pot met ijsblokjes van 0 C. Hoeveel smeltwater van 0 C ontstaat er na 5,0 minuten? 5) Je hebt 0,100 kg ijs van -10 C. Hoeveel warmte moet je toevoegen om het op te warmen tot water van 10 C? Deel 6: Warmte 49

14 Verdampen en condenseren Verdampen is overgaan van de vloeistoffase naar de damp- of gasfase. Condenseren is de overgang van de gas- of dampfase naar de vloeistoffase. Een vloeistof verdampt bij elke temperatuur en condenseren gebeurt ook bij elke temperatuur onder het kookpunt. (in tegenstelling tot stollen en smelten die voor elke stof bij T m gebeuren). Factoren die de verdampingssnelheid beïnvloeden: Verdamping gebeurt sneller als het vloeistofoppervlak groter is, de lucht erboven ververst wordt en de temperatuur hoger is. ok de aard van de stof bepaalt de verdampingssnelheid. Kan je eenvoudige proefjes bedenken om dit na te gaan? Als de druk boven een vloeistofoppervlak daalt neemt de verdampingssnelheid eveneens toe. Eens de verzadigingsdruk bereikt verdampt de stof niet verder. Proef: een vloeistof in een luchtledige kolf laten druppelen: elke druppel;verdampt tot de verzadigingsdruk bereikt is. Koken Een vloeistof die kookt verdampt in haar hele volume: overal ontstaan bellen met damp. De druk in de bellen is de verzadigingsdruk. Een vloeistof kookt als de druk op de vloeistof gelijk is aan de verzadigingsdruk. Als de druk op de vloeistof stijgt, stijgt de kooktemperatuur (T b ). Bij lage druk daalt de kooktemperatuur. Proef: water kookt bij 20 C als de luchtdruk daalt tot 23 hpa. B: snelkookpan (p => T b ) of water koken op grote hoogte (p => T b ). De kooklijn Het kookpunt stijgt i.f.v. de druk. Bij een kookpunt is er vloeistof en verzadigde damp. De verzameling van al deze kookpunten noemen we de kooklijn. Verdampingswarmte Men kan de verdampingswarmte van een hoeveelheid water bepalen door met een waterkoker met gekend vermogen water te laten wegkoken en met een balans de massa van het verdampte water te meten (massa overgebleven water t.o.v. de beginmassa). p vloeistof f kook- en condensatiepunt damp T Soortelijke verdampingswarmte: L m = Q / m [L m ] = J/kg Net zoals de soortelijke smeltwarmte is de verdampingswarmte van water groter dan van de meeste andere stoffen door de sterke bindingskrachten tussen de watermoleculen (cfr: waterstofbruggen) ok de soortelijke condensatiewarmte is een stofeigenschap en ze is even groot als de verdampingswarmte. Deel 6: Warmte 50

15 6.7 Tabellen Smelttemperatuur, soortelijke smeltwarmte, kooktemperatuur bij 1013 hpa, soortelijke latente verdampingswarmte en soortelijke warmtecapaciteit T m ( C) L m (kj/kg) T b ( C) L v (kj/kg) c (kj/kg.k) Helium Ethanol Ether Methanol Kwik lijfolie Water IJs Tin Lood Zink Aluminium Zilver Goud Koper Nikkel Platina IJzer Wolfraam ,3-116,3-93,9-38, ,9 78,5 34, (*) 2,43 2,30 2,51 0,14 1,65 4,186 2,22 0,227 0,128 0,387 0,896 0,234 0,131 0,386 0,440 0,136 0,448 0,135 (*) bij constante druk: c p = 5,24 kj/kg.k en bij constant volume c v = 3,21 kj/kg.k Maximumdampdruk en soortelijke verdampingswarmte van water bij verschillende temperaturen en kooktemperatuur van water bij verschillende drukken T b ( C) p (kpa) L v (kj/kg) T b ( C) p (kpa) L v (kj/kg) ,61 1,23 2,33 4,24 7,37 12,3 19,9 31,2 47,3 70,1 101, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,7 720,9 0 Deel 6: Warmte 51