Wat is thermische uitzetting?

Thermische uitzetting of thermische expansie is het uitzettingen van materialen als gevolg van een temperatuurstijging. 

Elk deeltje bevat een bepaalde temperatuur en als gevolg van die thermische energie beginnen de deeltjes te bewegen. In vaste vorm kunnen deeltjes niet vrij bewegen, maar botsen ze tegen elkaar. Hierdoor ontstaat een bepaalde ruimte die elk deeltje nodig heeft voordat het tegen een ander botst. Hoe hoger de temperatuur, hoe harder de deeltje bewegen en hoe meer ruimte de deeltjes dus nodig hebben. Hierdoor zet de stof uit. Elke stof kent ook een uitzettingscoëfficiënt die aangeeft in welke mate de stof uitzet.

Bij het uitzetten van vaste stoffen wordt de afstand tussen de netjes op een rij liggende deeltjes iets groter. Hierdoor wordt de hele reeks langer. Om de uitzetting bij vaste stoffen te berekenen maakt men gebruik van de lineaire uitzettingscoëfficiënt of de volume-uitzettingscoëfficiënt.

Om de uitzetting in gassen te berekenen gebruikt men een kubieke uitzettingscoëfficiënt. Deze beschrijft hoeveel groter het volume van het gas wordt bij een temperatuursverandering.

Vloeistoffen zetten net als in gassen uit in volume. De uitzettingscoëfficiënt in vloeistoffen is vaak niet constant en sterk afhankelijk van de temperatuur. Water is een speciaal geval waarbij het volume op zijn kleinste is bij een temperatuur van 4°C. 

1. De ballon op de fles

Benodigdheden:

  • ballon
  • flesje
  • water
  • waterkoker
  • 2 maatbekers (moeten tegen warmte kunnen)

 

Voorbereidend werk:

Draai de dop van de fles en doe de ballon rond de flessenhals (zie foto hiernaast).

Uitvoering:

Zet de twee maatbekers naast elkaar. Vul de ene voor de helft met koud water en de andere voor de helft met (heel) warm water. Het is de bedoeling dat we de fles met de ballon eerst in het koude water gaan zetten en vervolgens in het warme water. 

 

  • Wat zal er gebeuren wanneer de fles met de ballon in het koude water wordt geplaatst?

a) De fles krimpt in.

b) Er gebeurt niets.

c) De ballon blaast op.

  • Wat zal er gebeuren wanneer de fles met de ballon in het warme water wordt geplaatst?

a) De fles krimpt in.

b) Er gebeurt niets.

c) De ballon blaast op.

 

  • Wat zal er gebeuren wanneer de fles met de ballon opnieuw in het koude water wordt geplaatst?

a) De fles krimpt in.

b) De ballon gaat terug naar een slappe toestand.

c) De ballon blaast nog meer op.

 

Verklaring:

Wanneer een fles in warm water wordt gezet, zal het plastic van de fles warm worden. Maar er is nog iets wat opwarmt, namelijk de lucht binnenin de fles. Wanneer lucht opwarmt, zet het uit. De lucht in de fles heeft meer ruimte nodig waardoor een deel van de lucht stroomt naar de ballon en deze opblaast. De ballon wordt dus gevuld met opgewarmde lucht vanuit de fles. Wanneer de fles vervolgens in de maatbeker met koud water wordt gezet, zal de lucht in de fles terug afkoelen en inkrimpen. 

Opmerkingen:

Zorg ervoor dat je gebruik maakt van heel warm water voor deze proef. Naar eigen ondervinden zal de proef niet werken bij warm water uit de kraan. Om een goed resultaat te verkrijgen maak je best gebruik van water met een zo'n hoog mogelijke temperatuur. Pas wel op want als je gebruik maakt van kokend water, is er kans dat je fles zal vervormen. 

Bronnen:

proefjes.nl. (2004 - 2022). ballon op de fles. Opgehaald van https://www.proefjes.nl: https://www.proefjes.nl/proefje/078

bosschaerts, i. (2020, april 14). Proef 4: gassen zetten uit en krimpen in. Opgehaald van https://www.youtube.com/: https://www.youtube.com/watch?v=KQ4xzrkYaiU

 

Leerplannen:

Natuurwetenschappen C (D/2021/13.758/034)

  • LPD S1 De leerlingen passen een wetenschappelijke methode toe om kennis te ontwikkelen en
    om vragen te beantwoorden. 
  • LPD S3 De leerlingen gebruiken met de nodige nauwkeurigheid meetinstrumenten en
    hulpmiddelen om te observeren, te meten, te experimenteren en te onderzoeken in
    natuurwetenschappelijke, technologische en STEM-contexten.
  • LPD S5 De leerlingen werken geïnformeerd op een veilige en duurzame manier met materialen,
    chemische stoffen en technische en biologische systemen.
  • LPD S6 De leerlingen passen goede labopraktijken en -technieken toe om betrouwbare
    informatie te verzamelen.

Natuurwetenschappen 1ste graad A-stroom (D/2019/13.758/011)

  • LPD 22 De leerlingen verklaren de uitzetting en inkrimping van stoffen bij een
    temperatuursverandering met behulp van het deeltjesmodel.

2. Uitzetting van gassen

Benodigdheden:

  • stevig plastieken flesje (vb. Minute Maid 33cl)
  • doorzichtige plastieken darm
  • maatbeker waar flesje in kan
  • kleurstof
  • water
  • klein plastieken bekertje

 

Voorbereidend werk:

  • Maak een kleine opening in het dopje van de fles zodat de plastieken darm erdoor kan. Duw de darm enkele cm in de dop. Indien de opening te groot is, kun je er wat plakband of plasticine op doen om het luchtdicht te maken.
  •  Vul het plastieken bekertje met water en doe er kleurstof in. Vergeet dit niet te mengen!

 

Uitvoering:

Plaats het materiaal zoals is opgesteld in de foto hiernaast (afb. 3). Vul de maatbeker met heet water.

 

  • Wat zal er gebeuren met het water in het plastieken bekertje?

a) Het water begint te 'broebelen'. Er zijn luchtbellen te zien aan het wateroppervlak.

b) De hoeveelheid water in het bekertje neemt af. Het water gaat via de darm naar het plastieken flesje.

c) De kleurstof in het water verdwijnt.

 

Haal nu de fles uit het hete water, maar zorg ervoor dat de darm in het gekleurde water blijft zitten. 

 

  • Wat zal er gebeuren?

a) Het water gaat van het plastieken bekertje, via de darm, naar het flesje.

b) Het water in het plastieken bekertje begint te 'broebelen'. Er zijn luchtbellen te zien aan het wateroppervlak.

c) Het plastieken flesje krimpt in.

 

Verklaring:

Door middel van toevoeging van heet water aan de maatbeker, wordt de plastieken fles opgewarmd. Met gevolg dat de lucht in de fles ook opgewarmd wordt. De luchtdruk wordt groter en de lucht zet zich uit. De belletjes die te zien zijn in het gekleurde water zijn het gevolg van die uitzetting van lucht. De lucht in de fles heeft meer ruimte nodig waardoor deze door de darm geperst wordt in het water. Die belletjes die te zien zijn in het water, zijn dus luchtbellen.

Voor het tweede deel van de proef, wordt de fles uit het hete water gehaald. Op dat moment begint de fles af te koelen. De luchtdruk daalt opnieuw en de lucht krimpt terug in. Tijdens het opwarmen van de lucht in de fles hebben we gezien aan de luchtbelletjes in het gekleurde water dat de lucht van in de fles via de darm naar buiten is gegaan. Nu dat de fles terug aan het afkoelen is, wil het terug zijn hoeveelheid lucht binnenin hebben. Doordat de fles alleen lucht kan trekken via de darm en de darm zich in het gekleurde water bevindt, wordt het gekleurde water via de darm in de fles gezogen. 

Bron:

Walravens, P. (2012). Zavo Physics deel 5: experiment 243 (p45). Nvon.

 

Leerplannen:

Natuurwetenschappen C (D/2021/13.758/034)

  • LPD S1 De leerlingen passen een wetenschappelijke methode toe om kennis te ontwikkelen en
    om vragen te beantwoorden. 
  • LPD S3 De leerlingen gebruiken met de nodige nauwkeurigheid meetinstrumenten en
    hulpmiddelen om te observeren, te meten, te experimenteren en te onderzoeken in
    natuurwetenschappelijke, technologische en STEM-contexten.
  • LPD S5 De leerlingen werken geïnformeerd op een veilige en duurzame manier met materialen,
    chemische stoffen en technische en biologische systemen.
  • LPD S6 De leerlingen passen goede labopraktijken en -technieken toe om betrouwbare
    informatie te verzamelen.

Natuurwetenschappen 1ste graad A-stroom (D/2019/13.758/011)

  • LPD 22 De leerlingen verklaren de uitzetting en inkrimping van stoffen bij een
    temperatuursverandering met behulp van het deeltjesmodel.

3. Waardoor stijgt het water?

Benodigdheden:

  • petrischaal
  • kaartje
  • confituurpot (waar kaarsje onder kan)
  • water
  • lucifers

 

Voorbereidend werk:

Vul het petrischaaltje met water en doe er enkele druppels kleurstof in. Zet vervolgens het kaarsje in het midden van de petrischaal en steek de kaars aan.

 

Uitvoering:

Zet de confituurpot voorzichtig over de brandende kaars.

  • Wat zal er gebeuren?

a) De kaars blijft branden en het water in de confituurpot wordt naar buiten gezogen. 

b) De kaars dooft en het waterniveau binnenin de confituurpot stijgt.

c) De kaars dooft uit en het water in de confituurpot wordt naar buiten gezogen. 

 

Verklaring:

Voor die proefjes zijn er echter drie verklaringen mogelijk:

  1. Kaarsvet bestaat voornamelijk uit parafine. Bij een volledige verbranding hiervan ontstaan er voor iedere twee moleculen O2, één molecuul CO2 en twee moleculen H2O. Wanneer de confituurpot over de kaars wordt gezet dooft de kaars. De temperatuur rond dat gebied daalt en er slaat water neer. Het aantal deeltjes in het gas neemt af en de druk in het glas daalt snel. De atmosfeer duwt water naar binnen tot op het moment dat er een evenwicht is ontstaan.  

  2. Voor iedere zuurstofmolecuul in de lucht ontstaat er één watermolecuul. Bij verbanding wordt zuurstof verbruikt. De ontstane ruimte wordt dan door water gevuld.

  3. Als een vlam dooft, daalt de temperatuur van het gebied rond de vlam. Volgens de algemene gaswet is er dan een drukvermindering. De atmosferische druk duwt het water buiten het glas naar binnen tot dat er een nieuw evenwicht is ontstaan. 

Bron:

Frederik, I. (2015). Showdefysica: proefje 3 (p24). Nvon.

 

Leerplannen:

Natuurwetenschappen C (D/2021/13.758/034)

  • LPD S1 De leerlingen passen een wetenschappelijke methode toe om kennis te ontwikkelen en
    om vragen te beantwoorden. 
  • LPD S3 De leerlingen gebruiken met de nodige nauwkeurigheid meetinstrumenten en
    hulpmiddelen om te observeren, te meten, te experimenteren en te onderzoeken in
    natuurwetenschappelijke, technologische en STEM-contexten.
  • LPD S5 De leerlingen werken geïnformeerd op een veilige en duurzame manier met materialen,
    chemische stoffen en technische en biologische systemen.
  • LPD S6 De leerlingen passen goede labopraktijken en -technieken toe om betrouwbare
    informatie te verzamelen.

Natuurwetenschappen 1ste graad A-stroom (D/2019/13.758/011)

  • LPD 22 De leerlingen verklaren de uitzetting en inkrimping van stoffen bij een
    temperatuursverandering met behulp van het deeltjesmodel.

Maak jouw eigen website met JouwWeb