4.3 Soortelijke warmte

Op een zomerse dag kan zand erg heet worden. Op blote voeten loop je dan liever op een houten vlonder dan op het zand. Waarom krijgt het zand een hogere temperatuur dan het hout?

Figuur 4.17

Joulemeter

Met een joulemeter kun je meten hoeveel warmte een vloeistof of een voorwerp heeft opgenomen. Figuur 4.18 is een doorsnede van een joulemeter.

De joulemeter bestaat uit twee bakjes die in elkaar passen. Tussen de bakjes zit kurk als isolator. De bakjes zijn afgedekt met een kunststof deksel. Daarin zijn openingen gemaakt voor een thermometer, een roerder en een verwarmingselement. Door de bouw van de joulemeter is er vrijwel geen warmte-uitwisseling met de omgeving.

Figuur 4.18

▶ practicum Soortgelijke warmte

Soortelijke warmte

Je vult een joulemeter met 200 g vloeistof. Daarna verwarm je de vloeistof met het verwarmingselement. Als je de warmte die het bakje opneemt verwaarloost, wordt de toegevoerde warmte volledig door de vloeistof opgenomen. De vloeistof stijgt dan in temperatuur. In figuur 4.19 zie je het diagram van de opgenomen warmte tegen de temperatuurstijging.

In het diagram zie je een rechte lijn door de oorsprong. Dus er is een recht evenredig verband tussen de temperatuurstijging en de opgenomen warmte. Voer je de proef uit met 400 g vloeistof, dan blijkt dat je twee keer zoveel warmte nodig hebt om dezelfde temperatuurstijging te bereiken. De hoeveelheid opgenomen warmte is dus recht evenredig met de temperatuurstijging en de massa.

De evenredigheidsconstante heet de

soortelijke warmte. De soortelijke warmte van een stof is de hoeveelheid warmte die nodig is om één kilogram van die stof één kelvin in temperatuur te laten stijgen. Er geldt:

K T

Figuur 4.19

Q = c ∙ m ∙ ΔT

▪ Q is de warmte in J. ▪ c is de soortelijke warmte in J kg−1 K−1 . ▪ m is de massa in kg. ▪ ΔT is de temperatuurstijging in K.

Een temperatuurstijging van 1 K is gelijk aan een temperatuurstijging van 1 °C. Het maakt dus niet uit of je werkt in kelvin of in graden Celsius. In BINAS tabel 8 tot en met 12 vind je de soortelijke warmte van een groot aantal stoff en.

Voorbeeld 4 Berekening maken met soortelijke warmte

Piet wil friet bakken. Hij verwarmt 250 g olijfolie van 18 °C tot 180 °C. Bereken hoeveel warmte de olie heeft opgenomen.

Uitwerking Q = c ∙ m ∙ ΔT m = 250 g = 0,250 kg c = 1,65∙103 J kg−1 K−1 Zie BINAS tabel 11. ΔT = 180 − 18 = 162 K Q = 1,65∙103 × 0,250 × 162 Q = 6,682∙104 J Afgerond: Q = 6,68∙104 J.

▶ hulpblad

Smeltwarmte en verdampingswarmte

De soortelijke warmte van een stof geeft het verband tussen toegevoerde warmte en temperatuurstijging. Maar door warmte toe te voeren kan een stof ook van fase veranderen. Als je water verwarmt, stijgt de temperatuur tot 100 °C. Dan kookt het water en zie je overal in de vloeistof belletjes gevuld met waterdamp ontstaan. Je moet warmte blijven toevoeren om het koken door te laten gaan. De temperatuur van het water verandert echter niet tijdens het koken. Dus de kinetische energie van de moleculen verandert niet. Bij de overgang van vloeibaar water naar gasvormig water wordt de ruimte tussen de moleculen wel groter en daardoor neemt de potentiële energie toe. De warmte die je toevoert tijdens het koken wordt dus omgezet in potentiële energie. De energie die nodig is om 1 kg vloeistof bij het kookpunt om te zetten in 1 kg gas heet de verdampingswarmte. Als het gas weer condenseert tot een vloeistof komt deze warmte weer vrij. Ook bij andere faseovergangen blijft de temperatuur constant, ook al wordt er warmte toegevoerd. De smeltwarmte is de energie die nodig is om 1 kg vaste stof om te zetten in 1 kg vloeistof. Stolt de vloeistof tot een vaste stof, dan komt deze warmte weer vrij. Er geldt:

rs =

Qs

___ m en r v

Qv ___ m

▪ r s is de smeltwarmte in J kg−1 . ▪ Qs is de hoeveelheid warmte in J. ▪ m is de massa in kg. ▪ r v is de verdampingswarmte in J kg−1 . ▪ Qv is de hoeveelheid warmte in J.

In BINAS tabel 11 vind je voor stoffen die bij kamertemperatuur een vloeistof zijn zowel de smeltwarmte als de verdampingswarmte.

Opgaven

16 De zon verwarmt zand en hout. a Welke vorm van warmtetransport vindt plaats in het zand en het hout?

Het zand krijgt een hogere temperatuur dan het hout. b Leg uit waardoor.

17 Een asfaltweg wordt verwarmd door de straling van de zon. Per seconde valt op een vierkante meter asfalt zonnestraling met een energie van 6,0∙102 J. De zonne-energie wordt gelijkmatig opgenomen door een laag asfalt van 15 cm dik.

Bereken de temperatuurstijging van het asfalt per uur als er geen warmte aan de omgeving wordt afgestaan.

▶ hulpblad 18 Bij het ventileren van een huiskamer vervang je de lucht in de kamer door lucht van buiten. Hierdoor daalt de temperatuur in de kamer van 21,0 °C naar 16,0 °C. Om de kamer weer op te warmen, gebruik je een verwarming die werkt op aardgas. Bij de verbranding van aardgas komt warmte vrij. De kamer is 8,20 bij 3,60 bij 2,60 m. a Toon aan dat 5,0∙105 J aan warmte nodig is om de lucht in de huiskamer tot 21,0 °C op te warmen. b Bereken hoeveel m3 Gronings aardgas er minstens nodig is om de lucht in de huiskamer tot 21,0 °C op te warmen.

In werkelijkheid is meer gas nodig is dan je bij vraag b hebt berekend. c Noem hiervoor twee oorzaken.

19 Auto’s met een koude motor starten moeilijker dan auto’s met een warme motor. Om de koude start van een auto te verbeteren, experimenteren fabrikanten met het opslaan van warmte. De afgegeven warmte tijdens een autorit wordt voor een deel opgeslagen in natriumsulfaat, ook wel glauberzout genoemd. Als de auto lange tijd stilstaat, zal deze nu minder koud zijn als je de motor weer wilt starten.

Tijdens een koude nacht in Scandinavië koelt 10 kg glauberzout af van 80 °C tot −30 °C. In figuur 4.20 is de temperatuur van het glauberzout uitgezet tegen de afgegeven warmte.

De soortelijke warmte van het glauberzout in de vloeistoffase is 1,2 kJ kg−1 K−1 .

T

Figuur 4.20

De grafiek bestaat uit drie delen: het afkoelen van de vloeistof, het stollen en het afkoelen van de vaste stof. a Bij welk van deze processen wordt de meeste warmte afgegeven?

Licht je antwoord toe. b Bereken de hoeveelheid warmte die het glauberzout afgeeft tot het gaat stollen. c Bepaal de soortelijke warmte van het glauberzout in de vaste fase. d Leg uit of dit gebruik van glauberzout een bijdrage is aan energiebesparing.

20 Buitensporters gebruiken het liefst lichte spullen om mee te koken, zoals pannetjes van aluminium. Bij het koken neemt ook de pan zelf warmte op. De hoge soortelijke warmte van aluminium lijkt dan een nadeel te zijn.

Een kampeerder heeft een aluminium pan van 250 g. a Bereken de warmte die nodig is om deze pan op te warmen van 20 °C naar 100 °C.

Een andere pan met dezelfde afmetingen is gemaakt van ijzer. De massa van de ijzeren pan is ongeveer 730 g. b Toon dit aan.

Voor het opwarmen van deze ijzeren pan van 20 °C naar 100 °C is meer energie nodig dan voor de aluminium pan van vraag a. c Laat dit zien.

21 Helma doet in een glas 200 mL kraanwater van 16 °C. Ze vindt de temperatuur echter te hoog. Uit de vriezer haalt ze ijsklontjes van −18 °C. Deze ijsklontjes hebben de vorm van een kubus met een ribbe van 2,5 cm. a Toon aan dat er 5,4 kJ aan warmte nodig is om één klontje te laten smelten.

Ze doet één klontje in het glas water. b Toon aan dat één klontje volledig smelt.

Helma doet nog twee klontjes in het glas. c Bereken de eindtemperatuur van het water met de ijsklontjes.

22 Bij een faseverandering wordt veel energie opgeslagen of vrijgelaten, zonder dat de temperatuur verandert. Om dat te onderzoeken meng je 100 g ijs met 400 g zout water. Beide stoffen hebben een temperatuur van 0 °C. Zout water heeft een smeltpunt lager dan 0 °C. Verwaarloos de warmte-uitwisseling met de omgeving. a Leg uit dat de temperatuur van dit mengsel daalt als het ijs smelt.

Neem aan dat het ijs helemaal smelt en het zout water niet bevriest. De vloeistof heeft een soortelijke warmte van 4,0∙103 J kg−1 K−1 . b Bereken de eindtemperatuur van het mengsel.

23 Naomi en Hannah drinken nog iets voor ze gaan slapen. Naomi krijgt een beker thee, Hannah drinkt melk. De bekers zijn precies hetzelfde en even vol. De temperatuur van beide vloeistoffen is 80 °C, en dat is te warm om te drinken.

Daarom laten ze bekers nog even afkoelen.

Beredeneer met behulp van gegevens uit BINAS welke vloeistof het snelst afkoelt.

Gebruik voor de thee de gegevens van water.

▶ hulpblad

Oefenen A

Oefen met 4.1 t/m 4.3