Wat is warmte?

In het dagelijkse leven wordt de term 'warmte' vaak verkeerd gebruikt. Het is voor ons belangrijk om warmte correct en duidelijk te definiëren en de verschijnselen die verband houden met warmte te verklaren. Er wordt vaak gesproken over warmte- energie, maar deze term is eigenlijk niet helemaal correct. We praten hier over warmtetransport, want warmte verplaatst zich van een gebied met een hoge temperatuur naar een gebied met een lage temperatuur. Warmte kan zich transporteren op drie verschillende manieren: door geleiding (= conductie), stroming (= convectie) en straling (= radiatie). De totale energie van alle moleculen in een voorwerp wordt de inwendige energie (kinetische energie + potentiële energie) genoemd. Soms wordt hiervoor ook de term thermische energie gebruikt. 

Wanneer warmte naar een voorwerp stroomt, stijgt de temperatuur van dat voorwerp. Hoe dit komt hebben experimentoren al in de achttiende eeuw ontdekt: de hoeveelheid warmte (Q) die nodig is om de temperatuur van een bepaald materiaal te doen stijgen, is evenredig met de massa (m) van het materiaal en de temperatuurverandering (ΔT). Dit wordt weergegeven in de volgende vergelijking:

Q = mcΔT

Hier stelt c de karakteristieke grootheid van het materiaal voor en wordt het de soortelijke warmte genoemd. De eenheid van c is J/kg°C of J/kg K. Bv. de soortelijke warmte van water is 4186 J/kg°C. De eenheid van warmte is joule (J), maar er is nog een andere eenheid waarin warmte uitgedrukt kan worden. Die eenheid is namelijk calorie (cal). Een calorie wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 gram water met 1 graad Celsius te laten stijgen. In plaats van calorie wordt meestal kilocalorie (kcal) gebruikt, die gelijk is aan 1000 calorieën. 

Om een vergelijking te maken kunnen we zeggen dat: 

4,186 J = 1 cal

4,186 kJ = 1 kcal

 

 

1. De muntentruc

Benodigdheden:

  • drie 5 eurocent munten
  • plastieken doos
  • plastieken doos
  • een proefpersoon

Voorbereidend werk:

Leg de drie munten naast elkaar op het plastieken doosje. Doe dit door de munten alleen vast te nemen aan de zijkant. Later zal duidelijk worden waarom.

Uitvoering:

Voor deze proef moet je met twee zijn. Een iemand moet zich omdraaien terwijl de ander een willekeurige munt vastneemt en het vervolgens terug op dezelfde plaats teruglegt. Wanneer de munt terug op zijn plaats ligt, mag de eerste persoon zich terug omdraaien. Het is de bedoeling dat die persoon raad welke munt er is vastgenomen. Om hier achter te komen, houdt je een voor een alle drie de munten tegen je bovenlip. Kun je raden welke munt het is?

Herhaal deze proef met een metalen doos. Merk je een verschil?

 

Verklaring:

Bij de proef waar de munten op de plastieken doos liggen, kun je makkelijk raden welke munt er vastgenomen is. Plastiek is een slechte geleider waardoor de warmte, die is afgegeven door jouw vingers, in de munt blijft zitten. De reden waarom de munt tegen de bovenlip gehouden moeten worden, is omdat je bovenlip extra gevoelig is voor warmte. Bij de proef waar de munten op de metalen doos liggen gaat het een beetje moeilijker. Metalen zijn goede warmtegeleiders waardoor de warmte in de munt snel afgegeven wordt aan de doos. Met gevolg dat je niet meer kunt achterhalen welke munt er is vastgehouden. 

 

 

Bron:

Walravens, P. (2012). Zavo Physics deel 5: experiment 231 (p33). 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.
  • LPD F15 De leerlingen verklaren het energietransport bij temperatuursveranderingen van
    stoffen kwalitatief aan de hand van het deeltjesmodel.

2. Kokende ijsblokjes

Benodigdheden:

  • ijsblok
  • water
  • proefbuis
  • bunsenbrander
  • lucifers
  • tang
  • statief
  • ijzerdraad met kurk
  • Veiligheidsbril

Voorbereidend werk:

Plaats de proefbuis in de opstelling die hiernaast te zien is. Doe water in de proefbuis, maar zorg ervoor dat het water zeker 3 cm van de bovenrand van de proefbuis blijft. 

Maak met ijzerdraad en een stukje kurk een systeem waarbij het mogelijk is om een ijsblok naar de bodem van de proefbuis te brengen. Zorg ook voor een haakje zodat het systeem aan de proefbuis kan hangen.

Uitvoering:

Zet de bunsenbrander onder de proefbuis. Zorg ervoor dat deze ongeveer ter hoogte van het midden van de proefbuis staat. Breng een ijsblok in de proefbuis en breng deze met behulp van de ijzerdraad en kurk naar de bodem. Zet alles vast zodat het ijsblok op de bodem blijft. Doe de bunsenbrander aan en zorg ervoor dat je een blauwe vlam krijgt. 

Op het moment dat het water kookt, verwijder je het ijzerdraad. Gebruik hiervoor een tang zodat je jezelf niet verbrand. Pas ook op voor water die uit de proefbuis kan spuiten. 

  • Wat zal er gebeuren met het ijsblokje?

a) Niets, want het ijsblok is al gesmolten.

b) het ijsblokje stijgt naar het wateroppervlak en smelt daar heel langzaam.

c) Het ijsblokje stijgt naar het wateroppervlak en smelt daar heel snel.

 

Verklaring:

De bunsenbrander zorgt ervoor dat de temperatuur van het water stijgt. Aan het wateroppervlak is zelf duidelijk te zien dat het water kookt, maar toch smelt het ijsblokje niet? In tegenstelling tot metalen, zijn vloeistoffen zeer slechte geleiders van warmte en water is daar geen uitzondering op. Het water onderaan in de proefbuis heeft een lagere temperatuur dan het water bovenaan en dit komt door de slechte geleidbaarheid van warmte van het water. Op het moment dat het ijzerdraad verwijderd wordt, beweegt het ijsblokje zich naar het wateroppervlak. Dit komt omdat de dichtheid van ijs kleiner is dan de dichtheid van water. Het ijs bevindt zich nu in kokend water waardoor het zeer snel zal smelten.

 

 

Bron:

Walravens, P. (2012). PONTOn warmte 5.4 (p31). PONTOn.

 

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.
  • LPD F15 De leerlingen verklaren het energietransport bij temperatuursveranderingen van
    stoffen kwalitatief aan de hand van het deeltjesmodel.

3. Warmte vs temperatuur

Benodigdheden:

  • bunsenbrander
  • lucifers
  • tang
  • thermometer
  • water
  • nagel
  • maatbeker
  • Veiligheidsbril

 

Uitvoering:

Deel 1:

Vul een bekerglas met 100 ml water en meet de temperatuur van het water. Verhit de nagel met behulp van een bunsenbrander tot deze roodgloeiend is. Dompel de nagel in het bekerglas en meet opnieuw de temperatuur.

  • Wat kun je zeggen over het verschil tussen de begintemperatuur en de eindtemperatuur?

a) De eindtemperatuur is veel lager dan de begintemperatuur.

b) De eindtemperatuur is ongeveer gelijk gebleven met de begintemperatuur.

c) De eindtemperatuur is veel hoger dan de begintemperatuur.

 

Deel 2:

Verwarm 100 ml water en giet deze in het bekerglas met de nagel. Meet opnieuw de temperatuur.

  • Wat kun je zeggen over het verschil tussen de begintemperatuur en de eindtemperatuur?

a) De eindtemperatuur is veel lager dan de begintemperatuur.

b) De eindtemperatuur is ongeveer gelijk gebleven met de begintemperatuur.

c) De eindtemperatuur is veel hoger dan de begintemperatuur.

 

Verklaring:

In het dagelijkse leven worden de begrippen warmte en temperatuur door elkaar gebruikt, maar deze stellen niet hetzelfde voor.

Warmte is het transport van energie als gevolg van een temperatuurverschil.

Temperatuur geeft de maat voor de gemiddelde snelheid van de deeltjes van een voorwerp weer.

Een voorwerp met een hoge temperatuur bezit dus niet noodzakelijk veel warmte. Ondanks de hoge temperatuur van de nagel, veranderde er bijna niets aan het water in de maatbeker. 

 

 

Bron:

Walravens, P. (2012). PONTOn warmte 2.1 (p10). PONTOn.

 

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.
  • LPD F15 De leerlingen verklaren het energietransport bij temperatuursveranderingen van
    stoffen kwalitatief aan de hand van het deeltjesmodel.

4. Warmtestroming

Benodigdheden:

  • water
  • kleurstof
  • geplastificeerd blad 
  • 4 dezelfde confituurpotten 
  • waterkoker
  • petrischaaltje of opvangbak

 

Deze proef bestaat uit twee delen.

Experiment 1:

Uitvoering:

Vul twee confituurpotten met water. De ene pot vul je met warm water en de ander pot met koud water. Doe in de pot met warm water enkele druppels kleurstof. Dit zorgt voor een duidelijk onderscheid tussen de pot met warm water en de pot met koud water. Plaats de potten eventueel in een bak of petrischaaltje om water op te vangen. Hierdoor heb je straks minder opruimwerk. 

Het is de bedoeling om de pot met koud water omgekeerd op de pot met warm water te krijgen. Gebruik hiervoor een geplastificeerd blad om zo weinig mogelijk water te morsen.

  • Wat zal er gebeuren?

a) Het warme water stijgt naar boven en vermengt zich met het koude water. Er ontstaat een thermisch evenwicht.

b) Het koude water daalt naar beneden en vermengt zich met het warme water. Er ontstaat een thermisch evenwicht.

c) Het warme en koude water vermengen zich (bijna) niet. Er is een duidelijk onderscheid te zien tussen het warme water en het koude water.

 

Experiment 2:

Uitvoering:

Vul twee confituurpotten met water. De ene pot vul je met warm water en de ander pot met koud water. Doe in de pot met warm water enkele druppels kleurstof. Dit zorgt voor een duidelijk onderscheid tussen de pot met warm water en de pot met koud water. Plaats de potten eventueel in een bak of petrischaaltje om water op te vangen. Hierdoor heb je straks minder opruimwerk. 

Het is de bedoeling om nu de pot met warm water omgekeerd op de pot met koud water de krijgen. Gebruik hiervoor een geplastificeerd blad om zo weinig mogelijk water te morsen. Doe ook warmtebestendige handschoenen aan of gebruik een handdoek om de pot om te draaien zodat je je niet verbrandt. 

 

  • Wat zal er gebeuren?

a) Het warme water stijgt naar boven en vermengt zich met het koude water. Er ontstaat een thermisch evenwicht.

b) Het koude water daalt naar beneden en vermengt zich met het warme water. Er ontstaat een thermisch evenwicht.

c) Het warme en koude water vermengen zich niet met elkaar. Er is een duidelijk onderscheid te zien tussen het warme water en het koude water.

 

Verklaring:

Olie drijft op water en alcohol drijft op olie. Dit heeft te maken met de dichtheden van de vloeistoffen. Alcohol heeft een kleinere massadichtheid dan olie en olie heeft een kleinere massadichtheid dan water. Telkens wanneer twee vloeistoffen worden samengevoegd, zal de vloeistof met de kleinste dichtheid bovenop de dichtere vloeistof drijven. Als je water verwarmt, gaan de watermoleculen steeds sneller rond bewegen. Ze botsen tegen elkaar en bewegen zich verder uit elkaar. Omdat er meer ruimte tussen de moleculen ontstaat, weegt het volume van het warme water iets minder dan het volume van het koude water. Warm water is dus minder dicht dan koud water. Wanneer koud en warm water samengevoegd worden, zal het warme water naar boven stijgen. In experiment één stijgt het warme water naar boven en vermengt het zich gaandeweg met het koude water. In experiment twee bevindt het warme water zich al bovenaan waardoor het koude en warme water zich niet zullen vermengen en gescheiden zullen blijven. 

 

 

Bron:

scienceNDDA. (2017, november 30). Klas 1 H2 Warmte - Proef warmtestroming. Opgehaald van https://www.youtube.com/: https://www.youtube.com/watch?v=ykAGxWiu2G8

 

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.
  • LPD F15 De leerlingen verklaren het energietransport bij temperatuursveranderingen van
    stoffen kwalitatief aan de hand van het deeltjesmodel.

Maak jouw eigen website met JouwWeb