Warmte en temperatuur

De begrippen warmte en temperatuur worden in spreektaal vaak doorelkaar gebruikt, terwijl dat natuurkundig twee verschillende grootheden zijn. Warmte is energie (in joule), temperatuur (in Kelvin of graden Celsius) zegt iets over de toestand waarin een stof zich bevindt. Wanneer iets 'warm' is bedoel je eigenlijk dat het een hoge temperatuur heeft. Maar de twee grootheden hebben wel met elkaar te maken: wanneer de temperatuur van een voorwerp verandert vindt er warmteoverdracht plaats.

Temperatuur in graden Celsius

De temperatuur van een stof kun je meten met een thermometer. Één van de eenheden die je voor temperatuur kunt gebruiken is graden Celsius (°C). In deze temperatuurschaal zijn twee punten vastgelegd:

• De temperatuur van smeltend ijs (dus de faseovergang van vast naar vloeibaar water) is 0 °C.
• De temperatuur van kokend water (dus de faseovergang van vloeibaar naar gasvormig water) is 100 °C.

Wanneer je op een thermometer de afstand tussen deze twee punten in 100 gelijke stukjes verdeelt komt één stukje overeen met één graad Celsius.

Het absolute nulpunt

Temperatuur is een maat voor de beweging van deeltjes (moleculen en atomen) in een stof. Deze deeltjes staan namelijk niet stil: ze trillen met een grote frequentie of bewegen met een grote snelheid door de ruimte. Hoe sneller de deeltjes bewegen, hoe groter de temperatuur. En hoe lager de temperatuur, hoe minder ze bewegen. Als de temperatuur -273,15 °C is staan de deeltjes stil. Deze temperatuur wordt het absolute nulpunt genoemd: de temperatuur kan niet lager worden dan -273,15 °C.

Temperatuur in Kelvin

In de natuurkunde wordt het liefst een andere eenheid voor temperatuur gebruikt: Kelvin (K). Deze temperatuurschaal begint op het moment dat de deeltjes stil staan, dat is 0 K. Een temperatuur van 0 K is dus gelijk aan een temperatuur van -273,15 °C. De stapjes in de Kelvinschaal zijn even groot als in de Celsiusschaal, daarom geldt:

T (in K) = T (in °C) + 273,15

Dit betekent dat 0 °C gelijk is aan 273,15 K. Voor een temperatuurverschil maakt het niet uit of je de eenheid Kelvin of graden Celsius gebruikt: omdat de stapgrootte in beide schalen gelijk is is de waarde van het verschil tussen twee temperaturen ook altijd hetzelfde.

Temperatuurschalen van Celsius en Kelvin.

Warmte

Wanneer de temperatuur van een stof of voorwerp verandert vindt er warmteoverdracht plaats. Als de temperatuur daalt geeft de stof warmte af. Om de temperatuur te laten stijgen moet er juist warmte toegevoerd worden. Warmte (symbool: Q) is een vorm van energie en heeft dus joule (J) als eenheid.

Soortelijke warmte

Wanneer je warmte toevoert aan een stof stijgt de temperatuur ervan. Hoe snel dat gaat is afhankelijk van welke stof je hebt: elke stof heeft een andere soortelijke warmte. Dit is een stofeigenschap, je kunt de stof eraan herkennen en je kunt het opzoeken in een tabel. De soortelijke warmte (symbool: c) is het aantal joule warmte dat er nodig is om één kilogram van de stof één graad Celsius in temperatuur te laten stijgen. De eenheid van soortelijke warmte is dus joule per kilogram per graad Celsius. Lood en goud zijn voorbeelden van stoffen met een kleine soortelijke warmte. Dat betekent dat er weinig energie nodig is om die stoffen in temperatuur te laten stijgen. Water heeft juist een grote soortelijke warmte: daar moet je veel meer energie in stoppen om de temperatuur net zoveel graden Celsius te laten toenemen.

Een stof verwarmen

De energie (warmte Q) die nodig is om een stof te verwarmen is niet alleen afhankelijk van de soortelijke warmte van de stof, maar ook van de hoeveelheid stof en de gewenste temperatuurverandering. Zo heb je wanneer je twee keer zoveel stof hebt ook twee keer zoveel warmte nodig. En wanneer je de temperatuur verder wil laten stijgen moet je er ook meer warmte in stoppen. Dit komt samen in onderstaande formule. Met deze formule kun je óók uitrekenen hoeveel warmte er door de stof wordt afgegeven wanneer de temperatuur daalt.

Warmteoverdracht

Wanneer twee voorwerpen of stoffen met verschillende temperaturen bij elkaar gebracht worden vindt er warmteoverdracht plaats. Er gaat dan warmte van het voorwerp of de stof met de hoogste temperatuur naar die met de laagste temperatuur. Hierdoor neemt aan de ene kant de temperatuur af en aan de andere kant toe. De warmteoverdracht stopt wanneer de temperaturen van beide voorwerpen of stoffen gelijk zijn.

[hier komen nieuwe plaatjes over overdracht van warmte, met situatie voor en situatie na]

De wet van behoud van energie geldt ook voor warmteoverdracht. Dit betekent dat er in totaal altijd net zoveel warmte afgegeven wordt als er opgenomen wordt. In het voorbeeld van de afbeelding hiervoor moet de warmte die opgenomen wordt door het water dus gelijk zijn aan de warmte die het blokje afgeeft. Er geldt:

Q_afgegeven = Q_opgenomen

In de praktijk wordt de warmte die afgegeven wordt vaak niet door één stof of voorwerp opgenomen, maar gaat een deel van de warmte ook naar bijvoorbeeld het bakje of de omringende lucht.

Soms wordt de warmte niet afgegeven door een 'heet voorwerp', denk bijvoorbeeld aan een waterkoker of een gasfornuis. Bij de waterkoker wordt de warmte geleverd door een verwarmingselement: de afgegeven warmte is dan gelijk aan de elektrische energie die door het verwarmingselement omgezet is. Bij een gasfornuis wordt chemische energie omgezet in warmte.

Warmtetransport

Om een stof te verwarmen zal de warmte op de één of andere manier naar de stof toe moeten gaan. Ook wanneer iets afkoelt zal de warmte zich moeten kunnen verplaatsen. Er zijn drie manieren waarop warmte getransporteerd kan worden: stroming, geleiding en straling.

Bij stroming neemt een gas of een vloeistof warmte op om die vervolgens ergens anders weer af te geven. De warmte beweegt dus met het gas of de vloeistof mee. Er vindt dus transport over een grotere afstand plaats. Wanneer de beweging van het gas of vloeistof veroorzaakt wordt door het temperatuurverschil (het warme vloeistof/gas stijgt op, het koude vloeistof gas gaat naar beneden) dan wordt dit ook wel convectie genoemd. Er is bijvoorbeeld sprake van stroming bij het verwarmen van een kamer: de warme lucht stijgt bij de radiator op en verplaatst zich vervolgens door de kamer. De warmte wordt meegenomen door de lucht en op een andere plek in de kamer afgegeven.

Bij geleiding (ook wel conductie genoemd) wordt energie overgedragen door middel van rechtstreeks contact. De deeltjes in de stof geven de warmte steeds door aan de omringende deeltjes, waardoor de warmte uiteindelijk de andere kant van het materiaal bereikt. Niet alle stoffen zijn goede warmtegeleiders: metalen geleiden bijvoorbeeld warmte erg goed terwijl hout een slechte warmtegeleider is. Dit verklaart bijvoorbeeld waarom de steel van een metalen pannetje heet wordt wanneer het op het vuur staat, maar een houten lepel die in het pannetje staat niet.

Bij straling wordt de warmte overgedragen door elektromagnetische golven, voornamelijk infraroodstraling. Er is voor straling geen direct contact met de warmtebron noodzakelijk: de warmtetransport kan zelfs door vacuüm plaatsvinden. Dit is bijvoorbeeld de manier waarop de warmte van de zon de aarde bereikt of een infraroodlamp de kuikentjes warm houdt.