Wikijunior:Natuurkunde/Warmte

Gezocht: Wikibookianen die een beroep hebben waar natuurkunde bij gebruikt wordt en die in het hoofdstuk "Einde" heel kort iets willen vertellen over hun beroep.

Inleiding: Warmte en isolatie van een woning

Mensen willen comfortabel wonen. Het woonklimaat moet prettig zijn: genoeg frisse lucht, een aangename temperatuur, geen tocht en bedompte geurtjes en een lage energierekening. Er is een uitgekiend ontwerp voor nodig om aan al die eisen te voldoen.

Temperatuur

Meting

Temperaturen (warme en koude) kun je meten met een thermometer. Meestal wordt de temperatuur in graden Celsius uitgedrukt.

Temperatuuraanduiding

Om een temperatuur aan te geven, zijn er temperatuurschalen. Er zijn er drie. Op het Europese vasteland wordt vooral de eenheid Celsius gebruikt, in Engelstalige landen meestal de eenheid Fahrenheit. In de wetenschap wordt weer een andere eenheid gebruikt, de Kelvin.

Celsius

Deze schaal werd uitgevonden door de Zweedse wetenschapper Anders Celsius. Hij nam de temperatuur van ijs en de temperatuur van kokend water. Het verschil deelde hij op in 100 delen. Het nulpunt van de Celsiusschaal komt daarom overeen met het smeltpunt van water, en 100 graden Celsius is het kookpunt van water.

Fahrenheit

In landen waar ze Engels spreken (o.a. Groot-Brittannië en de Verenigde Staten) worden de temperaturen meestal in Fahrenheit uitgedrukt. De temperaturen in Fahrenheit zijn met een formule om te rekenen naar Celsius en andersom.

Van Celsius naar Fahrenheit

T((°C) = 5/9 * ( T(°F) - 32 )

Van Fahrenheit naar Celsius

T(°F) = ( 9/5 * T(°C) ) + 32 

Even een voorbeeldje: als je in Amerika op vakantie bent en je ziet ergens staan dat het 60 graden Fahrenheit is, dan komt dit overeen met ongeveer 16 graden Celcius.

Kelvin

In de wetenschap gebruiken we de temperatuurschaal Kelvin. Deze temperatuurschaal heeft graden van dezelfde grootte als de Celsiusschaal, maar de temperatuur kan hier nooit onder nul zijn. Het absolute nulpunt is -273,15 °C.

Proef: Temperatuur
Benodigdheden: thermometer In deze proef gaan we de temperatuur van vloeistoffen meten. Meet bijvoorbeeld eens de temperatuur van het water. Hoe warm is het water als het bij jou uit de kraan komt?
Wat heb ik geleerd:

Warmte thuis

Warmtebronnen

Warmte is een vorm van energie. Om iets te verwarmen, moet je warmte toevoeren. Die warmte moet ergens vandaan komen. Vaak zal die warmte van een warmtebron komen. Warmtebronnen zijn bijvoorbeeld een gaskachel, een verwarmingsradiator, de zon, een lucifer. Ook een gloeilamp is een warmtebron. Weliswaar is zo'n lamp bedoeld als lichtbron, maar als nevenverschijnsel produceert hij ook warmte. Als je iets verwarmt, stijgt de temperatuur. Dat kun je meten met een thermometer.

Een warmtebron moet zelf de warmte ook weer ergens vandaan halen. Bij een gasketel ontstaat warmte, doordat er gas wordt verbrand. Ook de zon geeft warmte af en is daarmee een warmtebron, de warmte wordt echter niet door verbranding gemaakt. Een elektrische kachel haalt z'n warmte uit de elektrische energie. Alles wat warmte afgeeft, is een warmtebron.

Brandstoffen

Brandstoffen die je in huis tegenkomt, zijn onder andere: aardgas, butaangas, stookolie, hout, spiritus en houtskool. Benzine, diesel en waterstof zijn brandstoffen die gebruikt worden voor motoren van auto's en andere voertuigen.

Van afvalstoffen kan ook een brandbaar gas gemaakt worden. Dat heet biogas.

Chemische energie

Een brandende lucifer

Verbranden is een chemische verandering, omdat je daardoor andere stoffen krijgt. Neem maar eens een lucifer. Die steek je aan. De lucifer verbrandt. Er ontstaat warmte, licht, rook en gas. Als je spiritus (brandalcohol) verbrandt, ontstaat er warmte, licht en gas. Maar geen rook dit keer. . Ook bij verbranding van zuivere benzine ontstaat geen rook. Maar als je gewone benzine verbrandt, krijg je hetzelfde als bij een lucifer. . Warmte, licht, rook en gas. Een chemische reactie waarbij warmte vrijkomt noemen we een exotherme reactie.

Elektrische energie

Warmte kan ook worden verkregen uit elektrische energie: elektrische apparaten die warmte opwekken, zijn bijvoorbeeld een strijkijzer en een oven. Deze apparaten werken op elektriciteit. Zo verkrijg je elektrische energie.

Aardgas of -olie verbranden

De centrale verwarming

De meeste centrale verwarmingen werken op aardgas, sommige op stookolie ("mazout"). De warmte ontstaat door het verbranden van het gas of de aardolie. De warmte wordt gebruikt om water te verwarmen. Er zit in de centrale verwarming een pomp waarmee het water vanuit de verwarmingsketel naar de verwarmingstoestellen in de verschillende kamers wordt gepompt.

De gasmeter

Aardgas wordt in Nederland het meest gebruikt, meestal om het huis te verwarmen. Een gezin verbruikt per jaar ongeveer 2500 m³ aardgas. Je kunt het gasverbruik te weten komen door naar de teller in de meetkast te kijken.

Vuur

De vuurdriehoek

Vlammen

Om een vuurtje te krijgen heb je drie dingen nodig. Brandstof (bijvoorbeeld hout), juiste temperatuur(kun je bereiken door er een lucifer bij te houden) en zuurstof. (zit in de lucht) Als je een van die drie dingen niet hebt, heb je geen vuur.

Brandstof

We gaan nu vooral kijken naar de brandstof. We gaan er zo een proefje mee doen. De brandstof die we gaan gebruiken is suiker. We gaan proberen om het in brand te steken! Voordat we gaan beginnen moeten we je wel duidelijk maken dat we niet willen dat jullie alles zomaar in brand gaan steken! Als je het thuis wil doen, doe het dan alleen met je vader of je moeder in de buurt!

Proef: Vuurdriehoek I
Benodigdheden: suikerklontjes, kristalsuiker, poedersuiker, een eetlepel, drie schoteltjes en lucifers. Opgelet: deze proef mag enkel met een volwassene worden uitgevoerd Leg op één schoteltje suikerklontjes, op een tweede kristalsuiker en op de laatste poedersuiker. Probeer nu het schoteltje met de suikerklontjes in brand te steken. Dit lukt niet. Probeer nu de kristalsuiker en de poedersuiker in brand te steken. Ook dit zal niet lukken. Vraag nu aan je vader of moeder om een brandende lucifer vast te houden en strooi een eetlepel poedersuiker over de vlam heen. Nu brandt het wel!
Wat heb ik geleerd: {{{conclusie}}}

Verbranding is een scheikundige reactie tussen brandstof (suiker) en zuurstof. Om de reactie te starten heb je warmte nodig (door de lucifer dus). Bij suikerklontjes kan er geen zuurstof bijkomen omdat de suikerdeeltjes daarvoor te dicht op elkaar liggen en zuurstof heb je ook nodig voor ontbranding. Maar bij de laatste proef waarbij je de poedersuiker over vuur heen strooide, brandde het. Het waren allemaal losse suikerdeeltjes en de zuurstof kon overal bij en zo krijg je een enorme vlam.

Juiste temperatuur

Nu behandelen we de juiste temperatuur die je nodig hebt om een brandje te maken. En je vindt ook uit waarom de brandweer altijd met water blust.

Proef: Vuurdriehoek II
Benodigdheden: twee ballonnen, water en lucifers. Opgelet: deze proef mag enkel met een volwassene worden uitgevoerd Blaas één van de ballonnen op en hou er een lucifer onder. Je zult zien dat hij klapt. Boem! Vul nu de tweede ballon met water en hou hier ook een lucifer onder. Dit keer klapt de ballon NIET!
Wat heb ik geleerd: {{{conclusie}}}

De eerste ballon had alleen lucht in zich. Als je er een lucifer onder houdt, smelt het rubber en klapt de ballon. Paf! Maar de tweede had je met water gevuld. Als je daar een vlammetje bij houdt, dan wordt de warmte opgenomen door het water. Het rubber blijft dus op temperatuur en de ballon klapt niet. Dit wordt ook gebruikt door de brandweer, want door het water wat ze gebruiken, kan de juiste temperatuur niet meer bereikt worden en stopt de brand.

Zuurstof

Net heb je gezien hoe de brandweer blust met water. Maar nu gaan we kijken hoe de brandweer een brandje blust zonder water!

Proef: Vuurdriehoek III
Benodigdheden: bakpoeder, eetlepel, azijn, laag glas, longdrinkglas, waxinelichtje en lucifers. Opgelet: deze proef mag enkel met een volwassene worden uitgevoerd steek het waxinelichtje aan en zet hem in het lage glas. Giet ongeveer 1 cm azijn in het longdrinkglas. Schep nu een eetlepel bakpoeder in het azijn. Het begint de bruisen. Probeer nu de lucht over het waxinelichtje te gieten! Het klinkt gek, maar het kan. Het waxinelichtje gaat direct uit!
Wat heb ik geleerd: {{{conclusie}}}

De bakpoeder en het azijn reageren en er ontstaat koolstofdioxide. Dat is zwaar en blijft in het glas hangen. Het is zwaarder dan lucht en omdat dat zo is, gedraagt het zich ook een beetje als vloeistof en kun je het overgieten in het andere glas. Daardoor wordt de lucht eruit gestuurd en daardoor gaat het brandje uit. De zuurstof ontbreekt dan. Soms gebruikt de brandweer geen water, maar schuim om iets te blussen. Zo'n schuimdeken zorgt ervoor dat er geen zuurstof meer bij kan komen. Dan gaat de brand uit. Als thuis je frituurpan in brand staat, blus het dan niet met water! Doe dan het deksel of een branddeken op de pan en dan kan er geen zuurstof meer bijkomen. Het vuur gaat dan uit.

Onvolledige verbranding

Bij onvolledige verbranding is de vlam geel/oranje en niet zo warm. Hierbij ontstaat roet en kool(stof)monoxide. Koolstofmonoxide is een reukloos en kleurloos, maar giftig gas. Erg gevaarlijk dus.

Wanneer het na de winter warmer wordt, laten veel mensen hun kachel aan, maar op de laagste stand. Hierdoor wordt er weinig zuurstof toegevoegd en kan onvolledige verbranding ontstaan, waarbij koolstofmonoxide vrijkomt.

Volledige verbranding

De vlam is blauw en er ontstaat waterdamp en kool(stof)dioxide. Koolstofdioxide is niet gevaarlijk. Volledige verbrandingen krijg je als er voldoende zuurstof is.

Verwarmen

Geleiding

Als heet water een koude radiator binnenstroomt, wordt de binnenkant gauw warm. Dit metaal is namelijk een goede warmtegeleider. De warmte verplaatst zich gemakkelijk door de metalen wand van de radiator.

Bij geleiding verplaatst de warmte zich van de plaats met de hoogste temperatuur (bijvoorbeeld de binnenkant van de radiator) naar de plaats van de laagste. (de buitenkant van de radiator) Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer warmte er vervoerd wordt. (van de binnen- naar de buitenkant)

In metaal

Als je water van ongeveer 50 graden in een leeg conservenblik giet terwijl je je hand eromheen houdt, merk je dat het heel snel warmer wordt. Metaal geleidt warmte heel goed. Daarom wordt het gebruikt voor het maken van pannen.

In glas

Als je het water nu in een glas giet, merk je dat het glas minder snel warm wordt. Het blikje geleidt dus beter dan glas. Daarom kun je je vingers niet aan je glas branden als je thee drinkt, direct nadat het ingeschonken is; wel brand je je mond en dat is ook niet lekker.

In plastic

Als je nu een plastic lepeltje in het warme water houdt, voel je dat het nauwelijks geleidt. Daarom is de knop van de kraan van plastic, en zijn ook de handvaten van een pan meestal in kunststof. Je mag namelijk je vingers niet verbranden.

In hout

Als je een blok hout aan de ene kant verwarmt wordt het aan de andere kant niet warm; dat komt doordat hout de warmte slecht geleidt.

Stroming

Als de lucht rond een radiator warm wordt, zet het uit. De warme lucht krijgt een kleinere dichtheid en stijgt op. Tegen het plafond koelt het weer af en zakt het aan de andere kant van de kamer weer naar beneden. Zo wordt je kamer warm. Dit proces kan ook in water plaatsvinden.

Bij stroming verplaatst de warmte zich van de plaats met de hoogste temperatuur naar de plaats met de laagste temperatuur. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer warmte er door de stroming wordt getransporteerd.

In lucht

Als je je hand boven een warme verwarming houdt, wordt je hand warmer. Warme lucht gaat namelijk omhoog. Daardoor is het bij het plafond warmer dan op de grond.

In water

Doordat warmer water stijgt, gaat het stromen. In water kun je dus warmte transporteren door stroming. Die stroming heet convectie-stroming.

Straling

Als je voor een ingeschakelde straalkachel staat, voel je stralingswarmte. Voorwerpen die warmer zijn dan hun omgeving stralen warmte uit die je kunt voelen. Zulke straling wordt ook wel infraroodstraling genoemd. De aarde wordt door de zon op temperatuur gehouden. Dat gebeurt ook door straling.

Wit en zwart

Zwart neemt meer warmte op dan wit. Daarom is een tropenhelm wit, is de wagen van de ijscoman meestal wit, en kun je als het warm is beter witte kleren aantrekken dan zwarte. Anders kun je het erg warm krijgen. Soms is een zwart voorwerp beter dan een wit. Bijvoorbeeld, bij zonnecollectoren. Dat zijn platen die de warmte van zonnestralen opnemen. Hierbij werken zwarte beter, want die nemen meer warmte op.

Proef: Zwart neemt meer warmte op dan wit.
Benodigdheden: 2 thermometers van -10 tot 110 graden celsius, correctielak, zwarte stift, zaklamp, iets waar je thermometers in klemt. Maak het onderste stuk van één van die thermometers wit met twee laagjes correctielak, bij de andere maak je het onderstuk zwart met twee laagjes stift. Klem de thermometers ergens in vast en schijn met een zaklamp vanaf 10 cm op het onderstuk van de thermometers. Doe dat 5 minuten lang. Na die 5 minuten, zul je zien, dat de zwarte thermometer het warmst werd.
Wat heb ik geleerd:

Isolatie

Minder warmteverlies

Als de temperatuur binnen hoger is dan buiten, verdwijnt er warmte naar buiten. Die warmte verdwijnt doordat er geventileerd wordt. De warme lucht wordt vervangen door koude buitenlucht. Een ander deel verdwijnt door muren, ramen, de vloer en het dak.

De warmte die naar buiten verdwijnt, moet meteen weer worden aangevuld, anders daalt de temperatuur steeds verder en is het in huis even koud als buiten.

Als je chemische energie wil besparen, moet je het warmteverlies tegengaan. Dat kan op verschillende manieren en dat behandelen we in deze laatste paragraaf.

Muren isoleren

Je kunt het warmteverlies door een muur tegengaan door isolatiemateriaal aan te brengen. Vaak worden er op deze manier ook daken en vloeren geïsoleerd. 5 centimeter dik isolatiemateriaal heeft al heel wat effect.

Spouwmuurisolatie

Veel huizen hebben dubbele muren. Daartussen zit een laag lucht, de spouw. Die voorkomt dat de binnenmuur vochtig wordt door regen.

Hoewel de lucht in de spouw een slechte geleider is, gaat er toch veel warmte verloren. Dat komt, doordat er ook warmte wordt vervoerd door straling en stroming.

Je kunt de spouw vullen met isolatiemateriaal. De warmte kan zich dan alleen verplaatsen door geleiding. Daardoor wordt het warmteverlies kleiner.

Dubbel glas

Door de ramen van een huis verdwijnt veel warmte. Vooral als er tussen de warme lucht binnen en de koude lucht buiten maar één dun laagje glas zit.

Vaak wordt er geen enkel glas, maar dubbel glas aangebracht. Op die manier, wordt het warmteverlies kleiner. Dubbel glas isoleert vooral goed door de laag lucht die tussen de twee platen zit.

Proef

Proef: Isolatie
Benodigdheden: een aantal glazen, heet water, thermometers, horloge, spullen om mee te isoleren, Vul alle glazen met 100 ml heet water en kies voor elk glas een ander isolatiemateriaal, zoals met aluminiumfolie en een dekseltje. Vergeet niet om één glas ongeïsoleerd te laten. Zet dan in elk glas een thermometer en wacht vijf minuten. Na die vijf minuten bekijk je de temperatuur van de glazen weer. Welk materiaal isoleerde het beste?
Wat heb ik geleerd:

De thermoskan

Een thermoskan thee is een goed voorbeeld van isolatie. In zo'n thermoskan zit een glazen fles met een dubbele wand. De ruimte tussen de binnen- en buitenwand is vacuüm gemaakt. In deze ruimte kan de warmte alleen worden vervoerd door straling en niet door stroming of geleiding.

De binnen- en buitenwand van de thermosfles zijn verzilverd. Dit zilver is een slechte warmtegeleider. De binnenwand zendt dus maar weinig infrarode straling uit. Bovendien kaatst de buitenwand voor het grootste deel weer terug naar binnen. Daardoor ontsnapt er maar weinig warmte naar buiten.

Maar toch is er nog een probleempje: de dop van de thermoskan. Natuurlijk is die van een isolerende stof gemaakt. Maar toch verdwijnt er door die dop nog het meeste warmte naar buiten.