Proef : We onderzoeken de warmte die nodig is als we de massa stof veranderen, een andere temperatuurstijging willen of een andere soort stof nemen

2dejaar – 2degraad (2uur) Hoofdstuk 9 : Warmte

- 153-

D. Warmte uitwisseling en temperatuurstijging.

Warmen we een beker water op, dan merken we dat er warmte aan toegevoegd werd door de temperatuurstijging. We spreken van merkbare warmte, door het opwarmen is de thermische beweging toegenomen. Q

=

∆ Ek

of

∆ Eth

De vraag die hier moet gesteld worden is : hoeveel warmte neemt de stof op, of welke factoren kunnen we veranderen waardoor de warmte groter of kleiner is. 1. Onderzoek van de factoren die de warmte bepalen. Proef : We onderzoeken de warmte die nodig is als we de massa stof veranderen, een andere temperatuurstijging willen of een andere soort stof nemen. Er stelt zich hier een probleem : de warmte meten is moeilijk. Maar als we de vlam van de bunsenbrander constant houden dan is de tijd ∆ t een maat voor de warmte : Q

∼ ∆t

Besluiten : 1) De warmte is recht evenredig met de gewenste temperatuurstijging. Q

∼

∆T

en dus

Q = const ∆t

Deze constante geeft aan hoeveel warmte er nodig is per graad temperatuurstijging . Dit noemen we de warmtecapaciteit C (hoofdletter C)

eenheid warmte eenheid temperatuur J J = (of ) K °C

eenheid wartmecapaciteit =

2) De warmte is recht evenredig met de massa Q

∼

m

3) De warmte is voor elke stof anders (ze is het grootst voor water) Afleiding van de formule :

Q ∼ ∆t Q∼m

Q  = constante = c  ⇒ Q ∼ m ⋅ ∆t ⇒ m ⋅ ∆t 

Deze constante brengt de aard van de stof in rekening en noemen we de soortelijke warmtecapaciteit c ( kleine letter c). Het is de warmte die nodig is per graad en per massa eenheid.


- 154-

eenheid warmte eenheid massa ⋅ eenheid temperatuur J J ( of ) = kg °C kg ⋅ K J J = 4190 = 4,19 kg °C g °C

Eenheid soortelijke warmtecapaciteit =

Voorbeeld : cwater

Formule :

Q

=

m. c. ∆ T

Kenmerk: Bij het raadplegen van de tabel stellen we vast dat de soortelijke warmtecapaciteit voor water het grootst is van alle stoffen. Dit betekent - Water kan het meest warmte in zich opnemen - Een stof met een grote soortelijke warmtecapaciteit c warmt slechts traag op en kan lang warmte afstaan zonder dat de temperatuur vlug daalt. - Bij een stof met een kleine warmtecapaciteit c zal de temperatuur vlug oplopen, en daar de warmte inhoud klein is vlug zijn warmte weer verloren zijn, de temperatuur daalt vlug. Toepassingen : 1. Water als warmtedrager in de centrale verwarming. 2. Klimaatinvloed : Aan zee is het verschil in dag en nachttemperatuur kleiner dan in een zandstreek. In de woestijn is het tijdens de dag snikheet, ‘s nachts bitter koud. Aan het meer van Genève, nochtans in het Alpengebied is het klimaat zeer mild, de temperatuur is in de zomer en in de winter zeer aangenaam. Gevolg : Daar water een veel voorkomende stof is vergelijken we alle stoffen met water en definiëren de relatieve soortelijke warmtecapaciteit cr

cr = Eenheid cr =

eenheid c eenheid c r

c cw De eenheid is een onbenoemd getal

≤1

2. Bepaling van de soortlijke warmtecapaciteit van lood steunend op de equivalentie. Als een voorwerp valt dan bezit het oorspronkelijk potentiële energie, die in kinetische energie omgezet wordt en tenslotte in warmte. We voeren de proef uit met loodkorrels die in een kartonnen ( isolerende ) buis opgesloten zijn. Als we ervoor zorgen dat alle warmte overgedragen wordt op de loodkorrels dan kunnen we schrijven : Ep

=

Q

of

m. g. h

=

m. c. ∆ T

Dit is onafhankelijk van de massa. Als we erin slagen de hoogte en de temperatuurstijging voldoende nauwkeurig te meten, dan is c te berekenen. We vergelijken het resultaat met de opgegeven waarde in de tabel en onderzoeken foutenoorzaken.


- 155-

Denk na en antwoord : 1. Waarom kan het zand in de zomer zo hels warm zijn terwijl het water lekker koel blijft ? ...................................................................................................................... 2. In het najaar is er reeds vroeg nachtvorst in de kempen, terwijl het aan zee nog niet vriest. Verklaar. ...................................................................................................................... 3. Geef twee voorwaarden die moeten voldaan zijn opdat een systeem warmte zou afstaan. ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 4. Een watergevulde radiator verdient de voorkeur boven een olieradiator, nochtans is de kans op roestvorming groter met olie. Leg uit. ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... Beschrijf de warmtecapaciteit C in termen van massa en soort stof. ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... Vraagstukjes: 1. Bereken de warmtecapaciteit van een blok aluminium dat 6 kg weegt. Hoeveel warmte is nodig om dat blok op te warmen van – 20 °C tot 80 °C. ( c opzoeken !) 2. Wat is te verkiezen als bedverwarmer : een waterkruik met 2 l water op 90°C of een baksteen van 3 kg op 160 °C ( cr = 0,2 voor baksteen). Neem als eindtemperatuur 25 °C. (Oplossing: 5,43 105 J) 3. Hoeveel koelt een fles wijn van 70 cl af in de koelkast als er 35 kJ warmte aan onttrokken wordt? ( de warmtecapaciteit van de fles mag je verwaarlozen) (Oplossing: 12°C) 4. Hoeveel warmte verliest een menselijk lichaam van 50 kg door onderkoeling tot 35 °C ( het lichaam bevat vooral water). (Oplossing: 4,18 105 J)


- 156-

3. Warmte uitwisseling bij het mengen.

Te

m2,

c2,

T2

( hogere temperatuur) m1, c1, T1 (lagere temperatuur) In een vat bevindt zich een vloeistof of vaste stof op zekere temperatuur, we brengen er een andere stof bij op een andere temperatuur. Beschrijf wat er zal gebeuren : 1. Na het mengen is de eindtemperatuur Te dezelfde, de stof op hogere temperatuur heeft warmte afgestaan aan de stof op lagere temperatuur. 2. Warmte is energie, op het systeem kan de wet van energie- of warmtebehoud toegepast worden : Opgenomen warmte Q1

= =

m1. c1. ∆ T1 m1. c1. ( Te – T1 )

afgestane warmte

= =

Q2 m2. c2. ∆ T2 m2. c2. ( T2 - Te )

afspraak : ∆ T steeds positief nemen, dus hoogste min laagste temperatuur. Probleem : 1. Tijdens het mengen gaat warmte aan de omgeving verloren Oplossing : een isolerend vat gebruiken ( thermos, calorimeter) en de proef in korte tijd uitvoeren. 2. Het mengvat neemt ook warmte op. Oplossing : het vat waarin de stoffen gemengd worden in rekening brengen. Daar de soortelijke warmtecapaciteit van water groot is ten opzichte van die van het materiaal waaruit het vat gemaakt is en als we de massa water in het vat veel groter nemen dan de massa van het vat zal de warmtecapaciteit van het vat kunnen verwaarloosd worden. ( dit maakt het rekenwerk eenvoudiger) Voorbeeld :

J , dus heeft K J J = 400 g . 4,18 = 1672 g⋅K K

De warmtecapaciteit van de gebruikte calorimeter : Ccalorimeter = 250 400 g water heeft een warmtecapaciteit van: Cwater


- 157-

De vergelijking voor de warmte uitwisseling is dan :

Q1

+

m1. c1. ∆ T1 +

Q

vat

=

C. ∆ T1 =

Q2 m2. c2. ∆ T2

Opdracht : Experimenteel werk 1. Als je de warmtecapaciteit van water kent, stel dan een strategie op om door mengen van twee hoeveelheden water de warmtecapaciteit van de calorimeter te bepalen. 2. Bepaal door een mengproef de soortelijke warmtecapaciteit van lood. Stel vooraf de formule op, bespreek welke grootheden je moet meten en stel een strategie op om zo nauwkeurig mogelijk de metingen uit te voeren. Vergelijk het resultaat met de tabelwaarde en zoek foutenoorzaken. Vraagstukjes: Zoek de nodige soortelijke warmtecapaciteiten in de tabel op. 1. Bereken de eindtemperatuur na het mengen van 600 g alcohol van 20 °C met 500 g water van 40 °C (Oplossing: 32°C) 2. Een blok lood van 160 °C wordt in een vat gebracht dat 3 l water van 10 °C bevat. De temperatuur van het water stijgt tot 30 °C. Bereken de massa van het lood. (Oplossing: 15,1 kg) 3.

Een vat met warmtecapaciteit 80 J/K bevat alcohol van 20 °C. Bereken de eindtemperatuur na het bijgieten van 150 g water op 50 °C (Oplossing: 40°C)

4. Een stuk koper wordt opgewarmd in de vlam van een bunsenbrander. Het blok wordt in een calorimeter met 120 g water op 20 °C gebracht. De temperatuur van het water stijgt tot 50 °C. Bereken de temperatuur van de vlam. Voer de berekening uit als a) de warmtecapaciteit van de calorimeter verwaarloosd wordt. b) de warmtecapaciteit van de calorimeter 80 J /K bedraagt. (Oplossing: 276°C)

Studietips: Je moet in dit hoofdstuk veel aandacht besteden aan het ontleden van problemen. Daarom moet je je de situatie zo concreet mogelijk voorstellen : ☺ Maak een schets, duid het gegeven en het gevraagde aan ☺ Stel de vergelijking voor de warmte uitwisseling op. ☺ Zorg dat het rekenwerk zorgvuldig gebeurt, maak geen fouten bij het overbrengen van de grootheden in de vergelijking ☺ Inzicht verwerf je het best door met medeleerlingen over het probleem te beraadslagen en je ervaring uit te wisselen. ☺ Hermaak de geziene oefeningen met je schrift dicht. ☺ Vind je dat je het vraagstukkenpakket onvoldoende beheerst of dat de toets tegengevallen is, vraag dan extra oefeningen aan de leerkracht en maak duidelijk hoe je ze wenst op te lossen : ☺ Zelfstandig, en correctie achteraf ; Samen met de leerkracht;Met een extra toetsing achteraf


- 158-

E. Warmte uitwisseling bij fasenovergang.

Eventjes herhalen !!!

Een stof kan voorkomen in 3 fasen of aggregatietoestanden : vast, vloeibaar, damp

Gas

Vloeibaar

Vast

Beschrijf de overgangen en geef voor elk een paar voorbeelden. Bij fasenovergang spreken we van latente warmte. Zoek de betekenis van dit woord: ...................................................................................................................... ......................................................................................................................


- 159-

1. Smelten en stollen. 1) Onderzoek van het smelten stollingsproces. Proef : smelten en stollen van een stof Grafiek:

Besluiten : -

Elke zuivere stof heeft een welbepaald smeltpunt Ts Het smeltpunt = het stolpunt. Verklaring :Smelten betekent dat de thermische beweging zo groot is dat de roosterstructuur verbroken wordt, de stof wordt vloeibaar. Daar de cohesiekrachten voor elke stof verschillend zijn is het smeltpunt voor elke stof anders. Raadpleeg de tabel met de smeltpunten

-

Tijdens het smelten en stollen blijft de temperatuur constant. Verklaring : De warmte wordt latent opgenomen, er is energie nodig om de roosterstructuur af te breken, de stand van de deeltjes te wijzigen, tegen de cohesiekrachten is. Bij het stollen herstelt de roosterstructuur zich en komt deze warmte terug vrij. Q

-

=

∆ E

coh

=

∆ E

pot

Het smeltpunt/ stolpunt is het enige punt waarbij beide fasen samen voorkomen. Bemerk dat bij de meeste stoffen de vaste fase naar beneden zinkt, ijs echter drijft op water.


- 160-

2) Onderzoek van onderkoeling Proef : onderzoek onderkoeling Besluit : Als een vloeistof zeer zuiver is, als er geen kristallisatiekernen in voorkomen, kan ze nog vloeibaar blijven beneden het stolpunt. Dit is een metastabiele toestand : schudden, roeren, onzuiverheden of het inbrengen van een kristal zorgt voor een plotse stolling. Toepassing : ijzelvorming na een periode van streng vriesweer. Vraagje: Waarom kan je water in een reageerbuis nooit vloeibaar houden beneden 0 °C ? ...........................................................................................................................

3) Formule voor de latente smelten stollingswarmte De formule voor de merkbare warmte is niet bruikbaar om het smelten en stollen te beschrijven, daar er geen temperatuursverandering is. We moeten een nieuwe formule afleiden. -

De latente warmte nodig om een stof te smelten bij het smeltpunt is recht evenredig met de massa. Q ∼

-

m

Q constant m

of

De latente warmte is voor elke stof anders. Dit vinden we terug in de evenredigheidsconstante en noemen we de soortelijke smeltwarmte ( L s )

Q = Ls m

eenheid :

J J kJ , , kg g kg

Definitie : de soortelijke smeltwarmte is de warmte die nodig is om de massa eenheid stof te smelten bij het smeltpunt. Daar tijdens het stollen eenzelfde warmte vrijkomt is L s ook de soortelijke stollingswarmte.

Q = Ls ⋅ m

Formule :

Opm: voor water is

Kenmerk :

Ls

=

335 000

J J = 335 kg g

Water heeft de grootste soortelijke smeltwarmte van alle stoffen.

Gevolg : ijs heeft veel warmte nodig om te smelten, of het smelt zeer traag. - ijsbergen die aan de Noordpool afbreken drijven zeer ver af naar lagere breedtegraad en bedreigen daar de scheepvaart. - ijsmassa’s in de bergen zoals gletsjers smelten slechts traag af - vroeger gebruikte men ijskelders om dranken heel de zomer koel te houden.


- 161-

Opmerking : Soms heeft een stof, binnen een bepaald temperatuurgebied, nog eigenschappen van een vaste stof maar ook reeds eigenschappen van een vloeistof, we spreken van een vloeibaar kristal. Dit wordt toegepast in displays ( GSM toestellen, PC schermen) Opdracht : Bepaling van de soortelijke smeltingswarmte ls. In een calorimeter brengen we een hoeveelheid warm water. Hierbij voegen we een hoeveelheid ijs van 0 °C. We zorgen dat alle ijs gesmolten is en meten de eindtemperatuur. Om de formule voor de warmte uitwisseling op te stellen beschrijven we wat er gebeurt :

Afgestane warmte

=

Opgenomen warmte

Het warme water staat warmte af aan het ijs.

Het ijs smelt bij 0 °C

De calorimeter staat warmte af

Het gevormde water warmt op

Na het opstellen van de vergelijking onderzoeken we welke grootheden we moeten meten, en hoe we de proef in de beste condities uitvoeren. Vergelijk het resultaat met de tabelwaarde en beschrijf foutenoorzaken. 4) Volume en dichtheidverandering bij het smelten. Uit de waarneming van het smelten volgt : - voor de meeste stoffen zinkt de vaste fase naar de bodem. De dichtheid van de vaste stof is groter dan van de vloeistof, in vaste toestand is het volume kleiner dan in de vloeibare toestand. V (vast) < V ( vloeistof ) -

en

ρ (vast) >

ρ (vloeistof)

water vormt een uitzondering : ijs drijft boven, is lichter dan water V (ijs) > V ( water )

en

ρ (ijs) < ρ (water)

5) Invloed van de druk op het smelten van een stof. -

Sporen van autobanden in de sneeuw Sneeuwballen maken Afschuiven van gletsjers

Proef van Tyndall: We proberen een ijsblok door te snijden met een dunne metaaldraad waaraan een grote massa hangt

Door de grote druk smelt het ijs, de draad snijdt door het ijs.

Het blok is achteraf echter niet in twee te breken, daar het water boven de metaaldraad terug gestold is als de druk wegvalt. Besluit : De druk heeft dus een invloed op het smelten van een stof.


- 162-

Verklaring: Drukstijging bevordert het ontstaan van de fase met het kleinste volume, hier water. Het smeltpunt van ijs daalt als de druk stijgt. Toepassingen:

Gletsjers smelten door de druk van het eigen gewicht aan de onderkant, en schuiven naar beneden.

Een gletsjer die naar beneden glijdt sleurt steenpuin met zich mee, er ontstaat een steenhoop waarachter zich een gletsjermeer kan vormen .Wereldwijd ligt de gletsjertong tegenwoordig ver achter deze puinhoop, dit wijst op een versneld afsmelten van het ijs, een duidelijk bewijs van het opwarmen van ons klimaat.

1. Stenen die op het ijs vallen zakken door de druk geleidelijk doorheen het ijs, het water erboven wordt terug ijs. Denk na en antwoord: 1. Kan men een vaste stof zoals paraffine, met normaal gedrag, door samendrukken doen smelten ? ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 2. Verklaar waarom je met sneeuw sneeuwballen kan maken. Kan je ook suiker op die manier samenpersen ? ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 3. Bestudeer de tabel met de smeltpunten, vergelijk het smeltpunt van kwik, ijs, lood en koper. Vergelijk ook hun soortelijke smeltwarmte. Is er veel warmte nodig om kwik te laten smelten bij het smeltpunt ? ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... .....................................................................................................................


- 163-

Vraagstukjes: 1. Bereken de warmte die nodig is om 1,5 kg ijs van - 10 °C om te zetten tot water van 60 °C. Zoek de materiaalconstanten op. (Oplossing: 9,13 105 J ) 2. Aan 5 kg lood van 20 °C voeren we 350 kJ warmte toe, zodat alle lood gesmolten is. Bereken de eindtemperatuur. (Oplossing: 372°C) 3. In 500 g water van 50 °C brengen we 100 g ijs van 0 °C. Bereken de eindtemperatuur. Je mag ervan uitgaan dat alle ijs gesmolten is. (Oplossing: 28,3 °C) 4. In 400 g water van 20 °C brengen we 120 g ijs van 0 °C. Hoeveel ijs zal gesmolten zijn ? (Oplossing: 100 g) 5. In 500 g water van 25 °C brengen we 200 g ijs van – 12 °C. Hoeveel ijs zal smelten ? (Oplossing: 140 g) 6. Een stuk ijzer werd in kokend water opgewarmd en dan in de holte van een ijsblok van 0 °C gebracht. Er smelt 80 g ijs. Bereken de massa van het ijzer. (Oplossing: 598g) 7. Een parking van 30 m op 20 m is bedekt met een laag ijzel van 3 mm dikte op - 2 °C. Hoeveel regen van 20 °C moet hierop vallen om het ijs te doen smelten ? (ρ (ijs) = 0,9 g/cm3 ) (Oplossing: ) 6. Vrije verdamping aan de atmosfeer. Waarnemingen : -

Na regen drogen waterplassen uit. In de wind droogt de was vlug Na de schoonmaak is een vochtige vloer rap droog en is het aangenaam fris. Ether op de hand verdampt en voelt koud aan.

Besluit :

Aan de vrije atmosfeer zal een vloeistof spontaan verdampen. Hierbij gaan deeltjes uit de vloeistof ontsnappen en in de dampfase overgaan. Om uit de oppervlaktelaag te ontsnappen moeten de deeltjes echter voldoende kinetische energie hebben, er moet arbeid verricht worden om de cohesiekrachten te overwinnen. De warmte wordt latent opgenomen om de cohesie energie te verhogen. Q

=

∆ E coh

De energie die hiervoor nodig is wordt aan de omgeving onttrokken, of aan de vloeistof die bij het verdampen afkoelt ∆ E coh

= - ∆ E th

Daar de cohesie voor elke stof anders is, zal ook de verdampingssnelheid voor elke stof anders zijn : voor ether, met zwakke cohesie is de verdampingssnelheid groot ( etherdampen zijn explosief !), voor water veel kleiner en voor kwik zeer klein door de grote cohesie ( kwikdampen zijn giftig !)


- 164-

De verdampingssnelheid kan bespoedigd worden door :

☺ Een groter verdampend oppervlak : dan is er meer kans dat deeltjes uit de oppervlaktelaag ontsnappen.

☺ Een hogere temperatuur : bij het opwarmen stijgt de thermische beweging, de kans om de cohesie te overwinnen wordt groter.

☺ Verse luchtlagen : afvoer van de reeds verdampte deeltjes betekent dat er minder kans is om door botsing met reeds verdampte deeltjes terug in de vloeistof te vliegen.

☺ Drukvermindering : een lagere luchtdruk betekent minder hinderende luchtmoleculen en minder kans om terug te botsen. Gevolg : in het luchtledige zal een vloeistof zeer vlug verdampen. Waarneming : water onder de luchtklok zal reeds bij kamertemperatuur heftig verdampen (koken), hierbij koelt de vloeistof af.


- 165-

Denk na en antwoord : 1. De was moet je goed openhangen in de wind bij warm weer om vlug te drogen.

....................................................................................................................... .......................................................................................................................

2. Als het warm weer is kan het huis opgefrist worden door goed vochtig te dweilen.

....................................................................................................................... .......................................................................................................................

3. Zweten is een goed systeem van warmteregeling in ons lichaam. Pas echter op als je bezweet in een tochtige ruimte komt.

....................................................................................................................... .......................................................................................................................

4. Om dranken koel te houden kan je er een vochtig doek rondwikkelen. Steek je het geheel echter in een plastiekzak, dan gaat het effect verloren.

....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... .......................................................................................................................

5. Vloeibare lucht ( kookt bij – 196 °C)

kan je lange tijd bewaren in een open, goed

isolerende thermosfles.

....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... .......................................................................................................................

6. Ether op je hand voelt koud aan, als je blaast versterk je het effect. Met olie gebeurt dit niet. ....................................................................................................................... .......................................................................................................................


- 166-

7. Verzadigde en onverzadigde dampen. Waarneming : In een afgesloten luchtledige ruimte brengen we een vloeistof. Er treedt een vlugge verdamping op, hierbij zijn er twee mogelijkheden : a) Alle vloeistof is verdampt en er zou nog meer vloeistof kunnen verdampen : de damp heeft zijn maximale deeltjesconcentratie nog niet bereikt, de damp is onverzadigd. b) Er blijft nog vloeistof over : de concentratie van de damp neemt tijdens het verdampen steeds maar verder toe. De damp bereikt zijn maximum concentratie : de dampmoleculen hinderen steed meer de verdere verdamping. Er ontstaat een dynamisch evenwicht waarbij er evenveel deeltjes in de damp overgaan als er terug condenseren, het is een verzadigde damp. De druk van de verzadigde damp neemt toe met de temperatuur, hoe hoger de temperatuur, hoe meer deeltjes in de damp zullen zitten en hoe heviger ze zullen botsen, dus hoe groter de druk. Toepassing : waterdamp in de lucht.

Droge lucht bevat weinig waterdamp, de damp is sterk onverzadigd. Er zal een sterke verdamping van water optreden. Hoe kan je te droge lucht in een kamer vermijden ? ....................................................................................................................... .......................................................................................................................

Zeer vochtige lucht bevat verzadigde waterdamp, er is geen verdere verdamping, alles is vochtig en klamp. Als de temperatuur gaat dalen zal een deel van de damp condenseren. Dit is wat er gebeurt als het tegen de morgen mistig wordt.

8. Koken van een vloeistof Proef : onderzoek van het kookverschijnsel. Waarneming en definitie : Een vloeistof kookt als in de vloeistof dampbellen met verzadigde damp ontstaan, deze stijgen op en barsten aan de atmosfeer open. Deze dampbellen kunnen echter slechts bestaan als de dampdruk in de dampbel gelijk is aan de atmosferische druk. Dit gebeurt bij het kookpunt. Besluiten :

Elke zuivere vloeistof heeft bij normale atmosfeerdruk een welbepaald kookpunt Tk. Tijdens het koken blijft de temperatuur constant. De warmte wordt latent opgenomen om de cohesiekrachten in de vloeistof te overwinnen. Bij het condenseren komt deze warmte terug vrij. Q

=

∆E

coh

Tijdens het koken komen de vloeibare en fase van verzadigde damp samen voor.


- 167-

Gevolg : Het kookpunt van een vloeistof hangt af van de druk boven de vloeistof, hoe lager de druk, hoe lager het kookpunt.

Water onder de luchtklok kookt bij kamertemperatuur Een kolf warm water afsluiten en onder de waterkraan houden : het water kookt terwijl het afgekoeld wordt !

Hoe hoger in de atmosfeer hoe lager de luchtdruk.In de bergen kookt water bij temperaturen lager dan 100 °C.

9. Formule voor de latente verdampingswarmte Tijdens het koken wordt de warmte latent opgenomen. Bij het condenseren komt de warmte terug vrij.

De latente warmte die nodig is om een vloeistof te laten verdampen is recht evenredig met de massa Q

∼ m

of

Q = constant m

De latente warmte is voor elke stof anders. Dit brengen we in rekening in de constante en noemen we de soortelijke verdampingswarmte Lv. Bij het condenseren komt deze warmte terug vrij, Lv is dus ook de soortelijke condensatiewarmte.

Q = Lv m

eenheid :

J J kJ , , kg g kg

Formule :

Q = m ⋅ Lv opm: Soortelijke verdampingswarmte voor water : Lv

= =

J = 2,26 106 kg J J = 2,26 103 g g

2260 000 2260

J kg

Kenmerk : Voor water is de soortelijke verdampingswarmte het grootst van alle stoffen. Toepassing :

Waterdamp, stoom als warmtedrager. Afkoeling door verdamping na een fikse regenbui op een warme zomerse dag.


- 168-

Opmerking : Daar een vloeistof, afhankelijk van de druk, bij elke temperatuur kan koken zal Lv ook bij elke temperatuur anders zijn. In de formule gebruiken we Lv bij normale druk dus bij het normale kookpunt. 10.Condenseren van dampen. Door druk- en temperatuurverandering kan een damp tot condenseren gebracht worden. a) Afkoeling onder constante druk Tijdens het afkoelen zal het volume kleiner worden, de thermische beweging neemt af, de cohesie overwint de thermische beweging, de deeltjes komen samen in vloeistofdruppeltjes. Toepassing : vorming van mist als het tegen de morgen kouder wordt. b) Samendrukken bij constante temperatuur. Bij drukverhoging zal het volume verminderen, de deeltjes komen dichter bijeen tot vloeistofdruppels. Dit kan slechts als gewerkt wordt beneden een zekere temperatuur, de kritische temperatuur, die kenmerkend is voor elke stof. Toepassing : compressie van het koelgas in een frigo. c) Drukstijging samen met temperatuurdaling Toepassing : vloeibaar maken van lucht Gevolg : Principe van de koude wand: -

waterdamp condenseert op een koude ruit waterdamp condenseert op koude brilglazen als je een lokaal binnenkomt

Door afkoeling tegen een koude wand zal de waterdamp in de lucht condenseren op een koude wand. Dit principe wordt toegepast bij destillatie. Proef : verbonden vaten met gekleurde vloeistof.


- 169-

11.Sublimeren en verrijpen. Sublimeren is het proces waarbij de vaste stof overgaat in damp zonder de vloeibare tussenfase, verrijpen is het omgekeerde proces. Voorbeelden

naftaleen : zodra de fles geopend wordt ruik je de vaste stof, dit betekent dat je de damp ruikt, de stof sublimeert. Naftaleen is de grondstof voor mottenbollen en reuksteentjes.

Jodiumschilfers sublimeren bij opwarmen en verrijpen op de koude wand van de reageerbuis.

Vast koolstofdioxide sublimeert aan de atmosfeer, het wordt ook ‘ droog’ ijs genoemd.

Vorming van rijp op de bomen bij koud vochtig vriesweer. Opmerking : Men kan elke stof doen smelten en dan verdampen of doen sublimeren, het hangt af van de druk waarbij de stof opgewarmd wordt. Denk na en antwoord : 1. Wanneer bereikt een vloeistof haar kookpunt ? ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 2. Is het niet gevaarlijk bij het opwarmen van water de temperatuur te meten met een thermometer die slechts tot 110 °C meet ? Kan je deze thermometer bij alle vloeistoffen gebruiken. ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 3. Raadpleeg de tabel met kritische temperaturen en ga na welke gassen je door samenpersen gemakkelijk kan vloeibaar maken en welke moeilijk vloeibaar te maken zijn. ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... .......................................................................................................................


- 170-

4. Mistvorming in de vroege morgen belooft een mooie dag. Leg uit. ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 5. Een zeer zuivere vloeistof die we afkoelen kan vloeibaar blijven beneden het stolpunt. Wat zou er dan kunnen gebeuren a) Met een zeer zuivere vloeistof die we opwarmen en het kookpunt bereikt ? .................................................................................................................. .................................................................................................................. a) Met een zeer zuivere damp die men afkoelt naar het condensatiepunt toe. .................................................................................................................. .................................................................................................................. Vb Condensstrepen van vliegtuigen Nevelkamer en bellenvat om radioactieve straling waar te nemen 6. Wanneer zullen groenten het vlugst gaar koken : op zeeniveau of 3000 m hoog in de bergen ? .................................................................................................................. ..................................................................................................................

7. Fysica kan ook leuke toepassingen hebben. Vraag de leerkracht de liefdesmeter boven te halen, sla je een mal figuur op een feest, dan weet je tenminste hoe dat komt. .................................................................................................................. .................................................................................................................. 8. Het drinkend vogeltje is weer een leuk geval waar een hele brok fysica achterzit. Probeer stap voor stap de werking te begrijpen. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. ..................................................................................................................

2dejaar – 2degraad (2uur) Hoofdstuk 9 : Warmte 9.

- 171-

De druk van een verzadigde damp neemt toe met de temperatuur. De tabel geeft de waarden van de dampdruk bij verschillende temperaturen voor water, ether en alcohol.

Zet deze waarde uit in een grafiet (p,T) met T horizontaal (neem hiervoor een cursusblad)

Trek een horizontale lijn door het punt waar de druk de normale atmosferische

druk 101,3 kPa is, zoek de corresponderende temperatuur. Vergelijk met het kookpunt van deze stoffen uit de tabel. Wat kan je besluiten ?

T (°C)

-20 0 20 40 60 80 100

dampdruk p (kPa) Water

Alcohol

Ether

0,10 0,61 2,32 7,34 19,34 47,35 101,36

0,44 1,67 5,88 17,82 46,82 108,29 225,39

8,80 24,67 58,68 122,70 232,06 400,00 653,50

.................................................................................................................. .................................................................................................................. ..................................................................................................................

Door samenpersen van een gas of damp warmt die op, dit ervaar je bij gebruik van je fietspomp. Formuleer nu het omgekeerde principe. .................................................................................................................. .................................................................................................................. ..................................................................................................................

Welke factoren zullen de vrije sublimatie aan de atmosfeer bespoedigen ? Steun op de analogie met de vrije verdamping. .................................................................................................................. .................................................................................................................. ..................................................................................................................


- 172-

Vraagstukjes: 1. Hoeveel warmte is nodig om 3 kg ijs van - 20 °C om te zetten tot waterdamp van 100 °C ? (Oplossing: 9,18 106 J) 2. Men laat 10 g ether verdampen bij 35 °C op een aluminiumplaat van 500 g. Hoeveel zal de plaat hierdoor afkoelen ? (Oplossing: 8,3 °C) 3. 200 g waterdamp van 100 °C condenseert op een aluminiumplaat van 20 °c. Hierdoor stijgt de temperatuur tot 35 °C. Bereken de massa van de plaat. (Oplossing: 37,7 kg) 4. Door een massa ijs van 0 °C wordt waterdamp van 100 °C geblazen. Hoeveel ijs kan men smelten met 3 kg waterdamp ? (Oplossing: 24 kg) 5. Een vat met warmtecapaciteit 240 J / K bevat 250 g water van 20 °C. Men laat er waterdamp van 100 °C doorborrelen, zodat de temperatuur tot 60 °C stijgt. Hoeveel damp is hiervoor nodig ? (Oplossing : 21,2 g) 6. Een calorimeter met warmtecapaciteit 80 J / K bevat 200 g ijs van -30 °C . Men blaast er 40 g waterdamp van 100 °C door. Bereken de eindtemperatuur. (Oplossing: 22,5°C) 7. In een vat met verwaarloosbare warmtecapaciteit is 300 g water waarop ijs drijft. Men laat hierin 100 g waterdamp van 100 °C condenseren tot de eindtempeatuur 15 °C bedraagt. Bereken de massa van het ijs. (Oplossing: 610 g)

Opdracht :Bepaling van soortelijke verdampingswarmte lv voor water Bekijk de methode die gebruikt werd om de soortelijke smeltwarmte van ijs te bepalen.

Stel een strategie op om op analoge manier de soortelijke verdampingswarmte van water te bepalen.

Welk problemen moeten opgelost worden. Welke meetfouten kan je aangeven bij het uitvoeren van de proef Vergelijk de uitkomst met de tabelwaarde.

Nog een succesvol examen en een prettige vakantie gewenst !!

Proef : We onderzoeken de warmte die nodig is als we de massa stof veranderen, een andere temperatuurstijging willen of een andere soort stof nemen

Recommend Documents