5.5 Afsluiting

Samenvatting

Warmte is een vorm van energie die zich spontaan verplaatst van plaatsen met een hoge temperatuur naar plaatsen met een lage temperatuur. Transport van warmte vindt plaats door geleiding, stroming en straling.

Als je een stof verwarmt, voer je energie toe. Daardoor kan de stof uitzetten en/of opwarmen. Deze verschijnselen verklaar je met het molecuulmodel. Uitgangspunten van het molecuulmodel zijn: ▪ Stoffen bestaan uit kleine deeltjes, de moleculen ▪ Tussen de moleculen zit ruimte. ▪ De moleculen bewegen voortdurend. ▪ Moleculen trekken elkaar aan.

De snelheid van de moleculen, de afstand tussen de moleculen en de krachten tussen de moleculen bepalen de fase van een stof. Een stof kan voorkomen in drie fasen: de vaste fase, de vloeibare fase en de gasvormige fase. Bij een faseovergang verandert de fase van een stof. Zie figuur 5.42.

Figuur 5.42

Hoe groter de snelheid van de moleculen in een stof, des te hoger is de temperatuur van de stof. De temperatuur van een stof geef je weer in °C of in K. Als de moleculen van een stof niet meer bewegen, dan is het absolute nulpunt bereikt. De temperatuur van de stof is dan 0 K of −273,15 °C.

Bij het verbranden van fossiele brandstoffen komt warmte vrij en wordt CO2 uitgestoten. De stookwaarde is de hoeveelheid chemische energie die vrijkomt bij verbranding van 1 kg of 1 m3 brandstof. Bij een centrale verwarming wordt aardgas verbrand. Met de vrijgekomen energie wordt water verwarmd. Het warme water wordt via buizen naar de radiatoren vervoerd. De hoeveelheid vloeistof die per seconde door de dwarsdoorsnede van een buis stroomt, heet vloeistofstroom of debiet.

Bij een verwarming is de warmtestroom de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid door een dwarsdoorsnede van de buis gaat. De warmtestroom door bijvoorbeeld een raam of een wand hangt af van de thermische geleidbaarheid, de oppervlakte en de dikte van het materiaal waar de warmte doorheen gaat. Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid geven de warmte goed door.

Metalen zijn goede geleiders voor warmte. Een isolator is een stof die warmte slecht geleidt. Lucht is een goede isolator als hij niet kan stromen. In veel isolatiematerialen zit daarom lucht als isolator.

Verwarm je een stof, dan stijgt de temperatuur van die stof. Met een joulemeter kun je bepalen hoeveel warmte een stof opneemt. De soortelijke warmte van een stof is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 kg van de stof 1 K in temperatuur te laten stijgen.

Een warmtepomp onttrekt warmte uit de buitenlucht en geeft die weer af aan bijvoorbeeld een woning. De warmtepomp gebruikt elektrische energie om warmte van de plaats met lage temperatuur (buitenlucht) te verplaatsen naar een plaats met een hogere temperatuur (woning). Het rendement van een warmtepomp is groter dan 1. Bij het gebruik van een warmtepomp is de (indirecte) CO2 uitstoot kleiner dan de (directe) CO2 uitstoot van een gasgestookte hrketel.

Gegevens die betrekking hebben op dit hoofdstuk

De formules die in dit hoofdstuk besproken zijn, staan hieronder bij elkaar.

temperatuur

temperatuurverschil

stookwaarde

debiet

warmtestroom

soortelijke warmte

thermische geleidbaarheid

rendement TCelsius = Tkelvin − 273,15

∆TCelsius = ∆Tkelvin

Ech = rV ∙ V Ech = r m ∙ m

Q = ΔV _ Δt = A ⋅ v

P = Q

_ t

Q = c · m · ΔT

P = λ⋅ A ⋅ ΔT _ d

η =

Enuttig _ Ein Pnuttig _ Pin

Een deel van de formules kun je terugvinden in BINAS tabel 35A4 en 35C. In BINAS tabel 8 tot en met 12 staan stofeigenschappen van vaste stoffen, vloeistoffen en gassen.

▶ hulpblad

▶ hulpblad 32 Een vrijstaand huis is opgetrokken uit muren en vloeren van beton. In het huis zit 400 m3 lucht. ’s Morgens is de temperatuur van lucht en beton 15 °C. Dan schakelt de thermostaat de verwarming in om de lucht in het huis te verwarmen tot 20 °C. a Bereken hoeveel warmte nodig is om de lucht te verwarmen tot 20 °C.

Als je de lucht verwarmt, verwarm je ook een gedeelte van het beton. In het huis is 1,2·105 kg beton verwerkt. De gemiddelde temperatuur van het beton is 15 °C. b Toon aan dat er veel meer warmte nodig is om het beton te verwarmen dan om de lucht te verwarmen.

Een woning verliest warmte via de ramen, de muren en het dak. De oppervlakte van de muren is 114 m2. Voor de hoeveelheid warmte die per seconde door de muren gaat geldt een aangepaste formule voor de warmtestroom: P = c ∙ A ∙ ΔT. De waarde van de constante c = 0,80. c Leid de eenheid van c af.

Het gemiddelde stookseizoen in Nederland duurt 250 dagen. Gedurende het stookseizoen is het temperatuurverschil tussen binnen en buiten gemiddeld 13,0 °C. d Bereken de warmte die in een stookseizoen door de muren naar buiten gaat.

Voor een vrijstaande woning zijn de stookkosten €1100, per jaar. e Bereken hoeveel geld je bespaart als je de thermostaat tijdens het gehele stookseizoen 1,0 °C lager zet.

33 Voor het verwarmen van een babybedje gebruik je een kruik.

Zo’n kruik bestaat uit een roestvrijstalen fles gevuld met heet water. Zie figuur 5.43.

In ziekenhuizen zijn de kruiken gevuld met natriumacetaat in plaats van water. In tabel 5.9 staan enkele stofeigenschappen van water en natriumacetaat.

Water Smeltpunt (°C) 0

Natriumacetaat 58

Tabel 5.9

Smeltwarmte (105 Jkg–1) 3,34 2,89 Dichtheid bij 70 °C (105 kgm–3) 0,978 1,45

Figuur 5.43

De smeltwarmte van een stof is de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 kg van die stof volledig te laten smelten. Deze warmte komt weer vrij als de stof stolt. Om de warmteafgifte van een kruik gevuld met water te vergelijken met eenzelfde kruik gevuld met natriumacetaat, maak je tijdens het afkoelen van beide kruiken een (temperatuur, tijd)diagram. Zie figuur 5.44. In de grafiek van de kruik gevuld met natriumacetaat zijn drie punten A, B en C aangegeven. a Geef voor de drie punten aan of het natriumacetaat daar vast, vloeibaar of gasvormig is. b Geef voor de drie punten aan of de kruik met natriumacetaat daar wel of geen warmte afstaat. In het eerste uur van de meting van figuur 5.44 geldt voor de afgegeven warmte het volgende verband: Q = c ∙ ρ ∙ V ∙ ΔT In het eerste uur van de meting blijkt de kruik gevuld met natriumacetaat evenveel warmte per seconde te verliezen als de kruik gevuld met water. c Leg uit of de soortelijke warmte van natriumacetaat bij 70 °C groter dan, kleiner dan of gelijk is aan de soortelijke warmte van water. Gebruik in je antwoord ook de grafiek van figuur 5.44. Voor het opwarmen van kruiken gebruikt het ziekenhuis een kruikenmoeder zoals in figuur 5.45. In dit apparaat zitten twaalf openingen (schachten) waarin de kruiken precies passen. De kruikenmoeder is helemaal gevuld met water, dat wordt verwarmd met een elektrisch verwarmingselement. d Wat is de belangrijkste vorm van warmtetransport van het verwarmingselement naar elke schacht? Om een kruik op te warmen is 7,0·105 J aan warmte nodig. Het verwarmingselement in de kruikenmoeder levert 1,2 kW aan warmte. e Bereken hoelang het duurt om alle twaalf kruiken tegelijk op te warmen.

Figuur 5.44

Zelftoets

Maak de zelftoetsen

Figuur 5.45