Warmtetransport
Warmte is energie die getransporteerd wordt van plekken met een hoge temperatuur naar plekken met een lage temperatuur. Door warmtetransport kan de temperatuur van een stof toenemen of afnemen. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij het afkoelen van een kopje thee of het verwarmen van je huiskamer. Warmte kan op drie manieren getransporteerd worden: door geleiding, door stroming en door straling.
Warmte en temperatuur
De temperatuur van een stof zegt iets over de snelheid waarmee de deeltjes in de stof (atomen/moleculen) bewegen. Hoe meer energie de deeltjes hebben, hoe sneller de deeltjes zullen bewegen en dus hoe hoger de temperatuur is. Om harder te gaan bewegen (dus een hogere temperatuur te krijgen) is dus extra energie nodig. We noemen de energie die aan een stof wordt gegeven om in temperatuur te stijgen warmte. Omgekeerd: wanneer de temperatuur van een stof daalt dan geeft de stof juist warmte af.
Warmtetransport
Tussen twee gebieden met een verschillende temperatuur vindt warmtetransport plaats: er wordt energie afgegeven van de stof met de hoge temperatuur aan die met de lage temperatuur. De temperatuur van de stof met de hoge temperatuur daalt dan, de temperatuur van de stof met de lage temperatuur stijgt. Als uiteindelijk de temperaturen gelijk zijn wordt er geen warmte meer getransporteerd. De warmtetransport kan op verschillende manieren plaatsvinden: door geleiding, door stroming en door straling.
Warmtetransport vindt altijd plaats van de stof met de hoge temperatuur naar de stof met de lage temperatuur.
Er zijn drie verschillende manieren waarop warmte getransporteerd kan worden.
Warmtegeleiding
Één manier waarop warmte zich kan verplaatsen is geleiding. Om warmte door te kunnen geven is er direct contact nodig tussen de deeltjes van de stoffen. De warmte wordt dan doorgegeven van deeltje naar deeltje.
Warmtegeleiding ervaar je wanneer je bijvoorbeeld de buitenkant van een radiator of een metalen pannetje aanraakt. Het water aan de binnenkant heeft een hoge temperatuur en geeft dus warmte af naar buiten. De warmte wordt door de deeltjes in het metaal doorgegeven.
Warmtegeleiding treed voornamelijk op in stoffen die zich in de vaste fase bevinden, omdat de deeltjes daarin dicht tegen elkaar aan gepakt zijn en daarom de warmte goed aan elkaar door kunnen geven. Hoe goed warmte geleid kan worden is een stofeigenschap: het hangt af van welke stof je hebt. De meeste metalen zijn goede warmtegeleiders.
Voorbeeld van warmtegeleiding in een metalen staaf.
Warmtestroming
Een andere vorm van warmtetransport die plaats kan vinden is stroming. Dit kan alleen plaatsvinden in vloeistoffen of gassen. De deeltjes van de stof bewegen zelf en kunnen daarbij de warmte met zich meenemen.
In de ketel van de CV-installatie in huis wordt water verwarmd. De pomp zorgt ervoor dat het water gaat stromen. Zo wordt de warmte naar de radiatoren getransporteerd.
Stroming in oceanen brengt warmte richting Europa.
Convectie
Convectie is een vorm van warmtestroming die vanzelf plaatsvindt. Wanneer er een temperatuurverschil is binnen een gas of vloeistof dan gaat er vanzelf warmtestroming plaatsvinden: het deel van de stof met een hogere temperatuur beweegt vanzelf naar boven, het deel met een lagere temperatuur beweegt juist naar beneden. De warmte wordt zo altijd naar boven getransporteerd: de warme vloeistof of warme lucht stijgt op, de koude vloeistof of koude lucht gaat naar beneden. Dit komt doordat het deel van de stof met de lage temperatuur iets zwaarder is: elk deeltje beweegt langzamer en neemt minder ruimte in. Daardoor passen er meer deeltjes in hetzelfde volume en is de massa van de koudere stof iets groter.
Convectie in de woonkamer: de lucht bij de radiator wordt verwarmd, wordt daardoor iets lichter en stijgt dus op. De afgekoelde lucht zakt juist vanzelf naar beneden.
Convectie in een pannetje water: water met een hoge temperatuur stroomt naar boven, water met een lagere temperatuur stroomt naar beneden.
Warmtestraling
De derde vorm van warmtetransport is straling. Bij warmtestraling is er géén stof nodig om de warmte te transporteren. De warmte verplaatst zich door 'het niets' in een rechte lijn. Het gedraagt zich als lichtstralen, maar dan in een kleur die je niet kunt zien: infrarood. Bij bijvoorbeeld een radiator of kampvuur is er warmtestraling. Als je jouw hand op een afstandje van de radiator of de vlam houdt dan kun je de warmte voelen terwijl je de radiator of vlam niet aanraakt.
De zon is ook een goed voorbeeld van een bron die warmtestraling uitzendt. Je merkt het verschil in warmte vaak meteen als de zon achter de wolken vandaan komt. De straling die van de zon af komt moet een heel eind door het heelal om bij de aarde te komen, door ruimte waar zich geen deeltjes bevinden om de warmte op een andere manier door te geven.
De zon heeft een hoge temperatuur en zendt daarom warmte uit. De warmte van de zon komt door straling bij de aarde.
Thermogram
Je kunt warmte normaal gesproken niet zien. Maar we kunnen infrarode straling wel zichtbaar maken met een speciale camera, een infraroodcamera. Deze camera zet de warmtestraling om in zichtbare kleuren die elk een temperatuur aangeven. Het beeld dat dan ontstaat wordt een thermogram genoemd. Zo'n beeld is bijvoorbeeld erg handig als je je huis wilt isoleren, je kunt dan precies zien waar de meeste warmte verloren gaat.
Een thermogram van een gebouw in de winter: van de rode gebieden komt veel warmtestraling, dus daar gaat de meeste warmte vanuit het huis naar buiten.
Een politiehelikopter heeft vaak ook een infraroodcamera, zodat in het donker mensen (die meer warmtestraling uitzenden dan hun omgeving) opgespoord kunnen worden.
Isoleren
Vaak wil je juist voorkomen dat er warmtetransport plaats vindt. Je wilt bijvoorbeeld dat de thee in de kan niet afkoelt en de koelcel van het restaurant juist koud blijft. Door goede isolatie kun je de hoeveelheid warmte die overgedragen wordt zo klein mogelijk maken. Isoleren is dus maatregelen nemen om warmtetransport te voorkomen of te verminderen.
Geleiding verminderen
Je kunt de warmtetransport door bijvoorbeeld een muur verminderen door het juiste materiaal te kiezen. Hout geleidt warmte bijvoorbeeld slechter dan baksteen, hout heeft daardoor een isolerende werking. Een houten muur houdt de warmte dus beter binnen (of buiten) dan een even dikke bakstenen muur. Er zijn verschillende stoffen die warmte slecht geleiden. Denk bijvoorbeeld aan het schuim van de bakken van bezorgmaaltijden, stoffen als katoen of wol waar je kleding van gemaakt is of steenwol dat gebruikt wordt voor dakisolatie in de bouw. Lucht is een zeer slechte geleider. Je kunt geleiding dan ook bijna helemaal voorkomen door te zorgen voor een stilstaande luchtlaag. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij dubbelglas bij de ramen. Tussen de glasplaten zit een luchtlaag waardoor de warmte slecht door het raam geleid kan worden. Wanneer de ruimte tussen een stof met hoge temperatuur en een stof met lage temperatuur vacuüm is (er bevinden zich helemaal geen deeltjes tussen de stoffen) dan kan er zelfs helemaal geen geleiding plaatsvinden, immers voor geleiding zijn er deeltjes nodig.
Driedubbelglas: door de luchtlaag kan er weinig geleiding plaatsvinden, en omdat de lucht stil staat is er ook weinig stroming door het glas.
Hier wordt steenwol gebruikt voor de isolatie van een plafond. Steenwol is een zeer slechte warmtegeleider, en door de stilstaande lucht in het steenwol kan er ook geen stroming plaatsvinden.
Houten lepels of een kunststof handvat aan het einde van de lepel zorgen ervoor dat de warmte slecht geleid wordt, en je dus je vingers niet verbrandt als de lepel in een hete pan staat.
Stroming verminderen
Om warmtestroming te verminderen moet je zorgen dat de deeltjes in het gas of in de vloeistof niet kunnen bewegen. Dat gebeurt bijvoorbeeld in piepschuim, dubbelglas of steenwol: daarin bevindt zich stilstaande lucht die niet zomaar kan stromen en dus geen warmte kan transporteren.
Straling verminderen
Net als licht kan warmtestraling door een voorwerp geabsorbeerd en teruggekaatst worden. Hoeveel straling er geabsorbeerd wordt is afhankelijk van de kleur van het oppervlak van het voorwerp. Zwarte voorwerpen absorberen vrijwel alle straling, witte voorwerpen kaatsen vrijwel alle straling terug. In warme landen worden muren en daken daarom vaak wit geschilderd: er wordt meer warmte teruggekaatst waardoor het binnen in huis koeler blijft. De meeste straling wordt teruggekaatst door spiegelende oppervlakken. Daarom werkt bijvoorbeeld aluminiumfolie goed om eten warm of juist koel te houden.
Een dorp op Kreta: witte muren en daken zorgen er voor dat warmte teruggekaatst wordt. Zo blijft het in de huizen koeler.
In een aluminiumbakje blijft het eten langer warm, omdat het spiegelende oppervlak de straling terugkaatst.
Bronvermelding afbeeldingen
Handen voor kachel: Ivan Radic, Flickr - https://www.flickr.com/photos/26344495@N05/ - licentie CC BY 2.0
Thermogram: ScanTherm - https://www.scantherm.co.uk/thermal-imaging-surveys/commercial-building-heat-loss/
Infraroodcamera politie: Toronto Star / York Region Police - https://www.thestar.com/news/gta/police-use-helicopter-thermal-camera-to-catch-young-candy-thieves-at-canada-s-wonderland/article_91034906-8ee4-57a2-a354-4bbd2699bd48.html
Dorpje Kreta: Olaf Tausch, Wikipedia - https://fi.wikipedia.org/wiki/Plaki%C3%A1s#/media/Tiedosto:Plakias_05.jpg - licentie CC BY-SA 3.0
Aluminiumbakje: SKopp, Wikipedia - https://de.wikipedia.org/wiki/Assiette - licentie CC BY-SA 3.0
Reactie plaatsen
Reacties