Thema 3

Transport van warmte-energie

Wat is het verschil tussen warmte en temperatuur?

Warmte = een energievorm.

Temperatuur = de gemiddelde bewegingsenergie van de moleculen van een stof.

Als energie zoals warmte toegevoegd wordt aan een materie, dan gaan de deeltjes van deze materie sneller bewegen. We noemden dit: de thermische beweging.

warmte wordt overgedragen wanneer er tussen twee plaatsen of voorwerpen een verschil is in temperatuur.
Warmte wordt over gedragen van een plek met hoge temperatuur naar een plek met een lagere temperatuur.
ALLE stoffen die we kennen transporteren warmte of vertragen warmtetransport.
Er zijn 3 mogelijke manieren om warmte te transporteren: geleiding, convectie en straling.

Hoe wordt warmte energie getransporteerd?

1. Transport van warmte-energie door geleiding

Geleiding = warmtetransport door middel van direct fysiek contact tussen stoffen (dit kunnen ook bijvoorbeeld gassen zijn).

Hierbij wordt warmte getransporteerd door het sneller trillen van warmere moleculen naar de langzamere koude moleculen op de plaatsen waar materialen elkaar raken. Hierdoor gaan de koudere moleculen sneller trillen.

(Bekijk de video vanaf 1 minuut 30 tot 3 minuten.)

het deeltjesmodel van een vaste stof

De deeltjes in een vaste stof zitten dicht bij elkaar en trillen ter plaatse.
Als we warmte toevoegen of de temperatuur verhogen dan trillen de deeltjes sneller.
Als we warmte afvoeren of de temperatuur verlagen dan trillen de deeltjes trager.
De temperatuur beïnvloedt dus de snelheid van de deeltjes (= de thermische beweging).

warmtegeleiding in vaste stoffen:

deeltjesmodel vaste stof

Warmte geleiding in vloeistoffen en gassen:

De deeltjes van een vloeistof en een gas zitten verder van elkaar dan in een vaste stof. De kans dat de deeltjes elkaar raken door te botsen in dus veel kleiner in een vloeistof en nog kleiner in een gas.

Warmtegeleiding in een vloeistof en een gas gaat dus veel slechter dan in een vaste stof.

Slechte warmtegeleider = EEN ISOLATOR

Als één uiteinde van een voorwerp gemaakt uit een vaste stof verwarmd wordt, gaan de moleculen er sneller trillen. Ze botsen met hun buren die minder trillen, omdat hun temperatuur lager is.

Door die botsingen gaan de buren ook sneller trillen, hun temperatuur stijgt. De warmte-energie wordt op die manier doorgegeven over het hele voorwerp. De deeltjes zitten dicht bij elkaar en raken elkaar gemakkelijk.

LET OP: De moleculen verplaatsen zich niet, er is geen transport van materie!!

Warmtetransport gebeurt niet even snel in elke stof. Sommige stoffen geleiden goed, andere minder goed. Warmte transport is dus verschillend in verschillende materialen. Metalen transporteren warmte goed en zijn dus goede warmtegeleiders. Houd transporteert warmte slecht en zijn dus slechte warmtegeleiders of isolatoren

2. Transport van warmte-energie door convectie (of stroming).

De warme moleculen van een vloeistof of een gas verplaatsen zich naar omhoog en worden vervangen door koude moleculen. Warme vloeistof of gas gaat omhoog en duwt de koude vloeistof of gas weg, zodat die naar omlaag gaat. (Dit kan je duidelijk zien op bovenstaande foto.)

LET OP: Er is transport van materie bij convectie!!

Warmtestroming is een vorm van warmtetransport die plaatsvindt in gassen en vloeistoffen doordat een deel van het gas of de vloeistof opgewarmd wordt en begint te stromen.

Het opgewarmde deel van de stof zet uit (de moleculen gaan verder uit elkaar) waardoor dat deel van de stof ook lichter wordt en zal opstijgen. Andere koelere delen van de stof zullen de plaats van de opgestegen warmere delen innemen en op hun beurt weer gaan opwarmen. Hierdoor ontstaat er stroming.

het deeltjesmodel bij stroming of convectie

Als een vloeistof/gas verwarmd wordt, wordt het volume groter.
Als een vloeistof/gas warmte afstaat, dan wordt het volume kleiner
Als een vloeistof/gas verwarmd wordt, wordt de massa kleiner
Als een vloeistof/gas warmte afstaat, wordt de massa groter.
De moleculen verplaatsen zich, er is transport van materie.

Als een vloeistof op een bepaalde plaats verwarmd wordt, wordt het volume groter. Het warme volume (B) is groter dan het koude volume (A) Het aantal deeltjes in A en B is hetzelfde.

Als we een bepaald volume als het koud is (A) vergelijken met hetzelfde volume als het warm is (het kleine vierkantje in B) dan zitten er in het warme volume minder deeltjes dan in het koude volume. De massa van het warme volume is kleiner.

Minder moleculen wil zeggen, minder massa en dus lichter. De warme vloeistof is lichter dan de koude vloeistof en stijgt. De warme vloeistof wordt vervangen door de koude vloeistof die op zijn beurt weer warm wordt en stijgt. In de vloeistof ontstaat stroming waarbij warmte-energie getransporteerd wordt. De moleculen zelf verplaatsen zich, er is transport van materie. Hetzelfde gebeurt in een gas.

In vloeistoffen en gassen gebeurt het transport van warmte-energie vooral door convectie. Vaste stoffen kunnen geen warmte doorgeven door convectie omdat de deeltjes in een vaste stof alleen ter plaatse kunnen trillen.

3. Transport van warmte-energie door straling

Warmtestraling is het transport van warmte-energie van een warm voorwerp naar een koud voorwerp, zonder contact tussen beide en ook zonder materie tussen het warme en het koude voorwerp.

Hiervoor is geen tussenstof of medium nodig!

Elk object in ons universum, met een temperatuur boven het absolute nulpunt in Kelvin (0 Kelvin = -273° C) straalt een hoeveelheid infrarode straling (= warmte straling) uit. Deze stralen 'reizen' vanaf het oppervlak van het object door een ruimte naar een ander object dat het tegenkomt in die ruimte.