Voortplanting van warmte

Voortplanting van warmte
Het luchtledige kan niet opgewarmd worden. Opwarming is immers een heviger maken van
trillingen van de moleculen. Als er geen materie is kan er dus niets opgewarmd worden.
•
Geleiding
Proef: toestel met verschillende metalen toont verschillen in warmtegeleiding aan.
Warmte verplaatst zich in metaal. De trilling van de deeltjes van het warme metaal heeft de
deeltjes van het koudere deel van het metaal doen meetrillen. Dat heet warmtegeleiding.
T2
H =
T1
k A (T2 − T1 )
L
A = doorsnede
H = getransporteerde energie per seconde = warmteoverdracht (in J/s)
T = temperatuur
k = thermische conductiviteit (in J/s.m.K)
•
Thermische conductiviteit
Stof
k [J/(s.m.K)]
Syrofoam
Lucht
Wol
Hout
Lichaamsvet
Water
0,010
0,026
0,040
0,15
0,20
0,60
Stof
Thermische conductiviteit
k [J/(s.m.K)]
Glas
0,80
Beton
1,1
IJzer
79
Aluminium
240
Zilver
420
Diamant
2450
Water heeft dus 23 keer de thermische conductiviteit van lucht
Voorbeeld: bereken de warmteoverdracht in een stukje staal
Staal: k = 14 J/s-m-C
Hoe veel energie wordt
er in 40 s overgebracht?
-------------------------H= kA (T2 - T1)/L
H= 14 (2)(475)/10
= 1330 J/s
Q= H t = 1330 (40)
= 5.32 x 104 J
Fysica
5ASO 2u
Voortplanting van energie
1
Warmtetransport door geleiding hangt vooral af van de kristal structuur van de stoffen. Als de
stoffen een echtekristalstructuur hebben zullen ze over het algemeen beter warmte geleiden
dan amorfe stoffen die geen kristal structuur hebben. Metalen zijn de beste geleiders voor
warmte. Dit komt niet alleen omdat metalen een soort kristalstructuur hebben maar ook omdat
de elektronen er heel beweeglijk zijn. Het is geen toeval dat metalen ook de beste geleiders
zijn van elektriciteit.
•
Convectiewarmte
De letterlijke vertaling van convectie is "samen bewegen". Convectie wordt dan ook best gezien
als een stroming van deeltjes die samen in min of meer dezelfde richting bewegen. Gezien de
noodzaak aan stromende deeltjes treedt convectie niet op in vaste stoffen, doch enkel in
gassen en vloeistoffen.
Convectiewarmte is warmteoverdracht via stroming die ontstaat door verschillen in
dichtheid als gevolg van verschillen in temperatuur. Koude deeltjes bewegen minder, zitten
daardoor dichter op elkaar en zijn globaal dus zwaarder dan warme deeltjes die veel bewegen,
verder uit elkaar zitten en dus globaal lichter zijn. Warmteconvectie is bijgevolg gewoon een
moeilijk woord voor het fenomeen dat warme lucht stijgt en koude lucht daalt. Een fenomeen
dat de mens voor het eerst in staat stelde het luchtruim te betreden via de hete luchtballon.
Warm water stijgt op, het koude water daalt, waarom?
Convectieverwarming is dus luchtverwarming of verwarming via warme lucht. Breng warme
lucht onderaan in een ruimte en ze zal automatisch stijgen, waarbij de warmte op koudere
deeltjes wordt overgedragen via stralingswarmte en via geleiding bij contact. Er treedt daarbij
ook gewoon een menging op van warme en koude deeltjes. De gemiddelde kamertemperatuur
komt daardoor hoger te liggen dan de oorspronkelijke kamertemperatuur en lager dan de
temperatuur van de geproduceerde warme lucht.
Waarom bevindt het koude rooster zich bovenaan in de koelkast?
Fysica
5ASO 2u
Voortplanting van energie
2
Soms worden lucht en water wel eens genoemd als de media waarlangs convectieverwarming
warmte transporteert. Inderdaad, de circulatie van water in de radiatoren van een centrale
verwarming berust eveneens op het principe van de convectie. Het warme water in een centrale
verwarming wordt door convectie dus naar verschillende ruimten gebracht, maar het is via de
opwarming van lucht dat de eigenlijke warmteoverdracht in de ruimte plaatsvindt. Zodat we de
uitdrukking convectiewarmte veel beter kunnen vervangen door het eenvoudiger woord
"luchtwarmte".
Convectie is dus, in tegenstelling tot stralingswarmte en geleiding, een indirecte vorm van
warmteoverdracht. De warmte van een convector wordt niet rechtstreeks op ons lichaam
overgedragen, maar onrechtstreeks door tussenkomst van de kamerlucht als transportmiddel.
•
Stralingswarmte
Het is de stralingswarmte die door infrarode straling verspreid wordt. Stralingswarmte kan
warmte overdragen van de warmtebron naar een ander lichaam, zonder dat de tussenruimte
noemenswaardig opgewarmd wordt. De warmte van de zon is ook stralingswarmte. Het warme,
onzichtbare licht dat een heet voorwerp uitstraalt zal elk voorwerp verwarmen waar het op valt.
Dus ook ons lichaam. In onze huid stroomt ongeveer 1/4 van ons bloed, dat de opgevangen
warmte meteen naar de rest van het lichaam voert.
Om echt in te zien hoe warmte of meer bepaald energie, in staat is zich voort te planten onder
de vorm van straling moeten we een kijkje nemen in de innerlijke structuur van de materie:
Fysica
5ASO 2u
Voortplanting van energie
3