Warmte Uitgelegd

Artikel

Warmte

Vaste stoffen, vloeistoffen en gassen vertegenwoordigen drie verschillende toestanden (ook wel fasen genoemd). Vaste stoffen zijn bijna volledig oncompressibel en hebben een vaste vorm, terwijl vloeistoffen bijna oncompressibel zijn en gassen compressibel. Voor praktische doeleinden worden vaste stoffen en vloeistoffen zo weinig samengedrukt dat ze vaak als oncompressibel worden beschouwd. Water kan bestaan als een vaste stof (ijs), vloeistof (water) of gas (stoom).

Warmte wordt gedefinieerd als 'thermische energie' die wordt overgedragen tussen twee systemen die direct contact met elkaar hebben, maar verschillende temperaturen hebben. Als warmte wordt overgedragen naar een stof, zal de stof van temperatuur veranderen of van toestand veranderen.

Voorbeeld van Toestandsverandering

Een grote hoeveelheid warmte wordt overgedragen naar een blok ijs, waardoor het smelt en water wordt.

Voorbeeld van Temperatuurverandering

Een kleine hoeveelheid warmte wordt overgedragen naar wat water, de temperatuur stijgt, maar de toestand verandert niet.

Het belangrijke verschil in beide voorbeelden is dat energie kan worden overgedragen naar een stof om de temperatuur van de stof te veranderen of de toestand van de stof te veranderen. De verschillen tussen de twee energievormen worden verduidelijkt in de volgende sectie.

Voelbare en Latente Warmte

De term warmte (ook wel warmte-energie genoemd) beschrijft twee soorten warmte, voelbare warmte en latente warmte.

Voelbare Warmte kan worden gemeten met een thermometer en door een mens worden waargenomen ('voelbare warmte'). Een verandering in voelbare warmte gaat niet gepaard met een verandering in toestand.

Latente Warmte kan worden geïdentificeerd door een verandering in toestand/fase van een stof, maar niet door een verandering in temperatuur. Verdamping en condensatie zijn vormen van latente warmte.

De onderstaande grafiek laat zien dat toegevoegde warmte-energie niet altijd een temperatuurverandering veroorzaakt. Voelbare warmte is te zien wanneer warmte wordt toegevoegd en de temperatuur evenredig verandert (hellende lijnen op de grafiek). Latente warmte is te zien wanneer warmte wordt toegevoegd en er geen temperatuurverandering optreedt (horizontale lijnen op de grafiek).

Diagram van Voelbare en Latente Warmte

Diagram van Voelbare en Latente Warmte

Het toevoegen van voelbare warmte aan water zal geleidelijk de temperatuur verhogen, hoewel het pas zal koken wanneer het zijn verzadigingstemperatuur (kookpunt) bereikt. Bij verzadigingstemperatuur kan er geen voelbare warmte meer worden toegevoegd, maar er kan meer warmte worden toegevoegd in de vorm van latente warmte.

De extra latente warmte zorgt ervoor dat het water verdampt en van toestand verandert naar een gas. De resulterende stoom bevat zowel de voelbare als de latente warmte-energie die erin is overgedragen, echter, het veranderen van water in gas vereist veel meer energie dan het simpelweg verwarmen van het water, waardoor de stoom veel meer latente warmte bevat dan voelbare warmte. De totale warmte die door de stoom wordt bevat is erg belangrijk, omdat dit de hoeveelheid energie vertegenwoordigt die later door de eindgebruiker kan worden gebruikt.

i	Een vloeistof bij verzadigingstemperatuur (temperatuur waarbij het kookt), of verzadigingsdruk (druk waarbij het kookt), is letterlijk verzadigd met voelbare warmte, d.w.z. het kan geen extra warmte bevatten zonder te beginnen met koken.

Warmte Overdragen

Zoals vermeld in de tweede wet van de thermodynamica, wordt warmte-energie (ook wel warmte genoemd) overgedragen van warm naar koud. Het temperatuurverschil tussen twee stoffen bepaalt de warmtestroom.

Stoffen met een groot temperatuurverschil zullen een hogere warmtestroom hebben dan stoffen met een klein temperatuurverschil.

Warmte wordt overgedragen via geleiding, convectie of straling. In de meeste industriële omgevingen wordt warmte overgedragen via een mengsel van een of meer van deze warmtetransportmethoden, zelden door een enkele methode.

Geleiding – warmte wordt direct van het ene molecuul naar het andere overgedragen. Geleiding vindt plaats in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen.
Convectie – warmte wordt overgedragen door moleculen in een vloeibare toestand. Convectie kan geforceerd zijn (met behulp van een pomp of ventilator), of natuurlijk, door temperatuur- en dichtheidsverschillen in de vloeistof. De twee soorten convectie staan bekend als geforceerde convectie en natuurlijke convectie.
Straling – warmte wordt overgedragen via stralingsenergie (elektromagnetische golven). Stralingsenergie wordt alleen overgedragen naar ondoorzichtige objecten, d.w.z. objecten die geen licht doorlaten.

Geleiding, Convectie en Straling

Geleiding, Convectie en Straling

Geleiding

Geleiding vindt plaats in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. Het vermogen van een stof om warmte via geleiding op te nemen, wordt aangeduid als zijn thermische geleidbaarheid. Over het algemeen hebben vaste stoffen een hogere thermische geleidbaarheid dan vloeistoffen omdat de moleculen dichter bij elkaar staan. Evenzo hebben vloeistoffen over het algemeen een hogere thermische geleidbaarheid dan gassen. Lucht heeft een lage thermische geleidbaarheid, wat de reden is waarom isolatiematerialen vaak grote luchtkamers/zakken hebben.

Merk op dat thermische geleidbaarheid gebaseerd is op het materiaal, niet op zijn toestand/fase. Bijvoorbeeld, veel soorten hout hebben een lagere thermische geleidbaarheid dan water, maar hout is een vaste stof en water is een vloeistof.

Voorbeeld van Geleiding

Als het ene uiteinde van een metalen staaf wordt verwarmd in een vuur, terwijl het andere uiteinde dat niet is, zullen de verwarmde metaalmoleculen hun warmte doorgeven aan hun naburige -koelere- moleculen. Het proces gaat door, waardoor warmte van het hete uiteinde van de staaf naar het koude uiteinde wordt geleid.

In het geval van ketels vindt geleiding plaats wanneer warmte wordt overgedragen van de interne verwarmingsoppervlakken van de ketel naar de externe verwarmingsoppervlakken.

Convectie

Convectie kan geforceerd of natuurlijk zijn. Geforceerde convectie vereist een pomp of ventilator, enz. Natuurlijke convectie vindt plaats door temperatuurverschillen in de vloeistof (hete moleculen zijn minder dicht dan koude moleculen, wat de reden is waarom ze de neiging hebben om boven hen uit te stijgen).

Voorbeeld van Convectie

Het verwarmen van water in een pot zorgt ervoor dat de verwarmde moleculen minder dicht worden en daardoor naar de bovenkant van de pot stijgen door natuurlijke convectie; koelere, dichtere moleculen nemen dan de plaats in waar de verwarmde moleculen waren.

Het schouweffect (ook wel schoorsteeneffect genoemd) is een voorbeeld van natuurlijke convectie. De onderstaande afbeelding toont een natuurlijke trekkoeltoren. De koeltoren laat koelere lucht binnenkomen via de basis, waar het vervolgens wordt verwarmd door heet water. De hete -minder dichte- lucht stijgt dan naar de top van de toren, wat ervoor zorgt dat koelere lucht door de basis van de toren wordt aangezogen. Op deze manier is het mogelijk om zeer grote hoeveelheden lucht te gebruiken om een proces te koelen zonder pompen of ventilatoren te gebruiken.

Hete (minder dichte) Lucht Stijgt en Wordt Vervangen door Koelere (dichtere) Lucht

Hete (minder dichte) Lucht Stijgt en Wordt Vervangen door Koelere (dichtere) Lucht

In het geval van ketels vindt convectie plaats wanneer het water dat het dichtst bij de interne verwarmingsoppervlakken is, wordt verwarmd en minder dicht wordt. Het minder dichte water stroomt omhoog en wordt vervangen door koeler, dichter water; het proces is continu.

Straling

Stralingsenergie wordt alleen omgezet in warmte-energie wanneer elektromagnetische golven een stof raken die geen licht doorlaat, d.w.z. de stof is ondoorzichtig. Bijvoorbeeld, de zon zendt stralingsenergie uit, maar deze energie wordt pas warmte-energie wanneer het een ondoorzichtig object ontmoet, d.w.z. de aarde.

De hoeveelheid energie die een stof via straling kan overdragen, hangt grotendeels af van de temperatuur en emissiviteit. Het vermogen van een oppervlak om thermische straling uit te zenden, wordt gemeten door zijn emissiviteit. Over het algemeen hebben ruwe en donkere oppervlakken een hogere emissiviteitcoëfficiënt dan gladde en glanzende oppervlakken.

In het geval van ketels wordt stralingsenergie vrijgegeven tijdens verbranding en overgedragen op de ondoorzichtige interne verwarmingsoppervlakken van de ketel, waar het verandert in thermische energie. Merk op dat stralingsenergie alleen wordt overgedragen door zichtlijn.

Voorbeeld van Straling

Als een keteloperator de keteloven deur opent, zal hij/zij de warmte voelen omdat de elektromagnetische golven naar buiten reizen van de oven naar de operator. Als de deur vervolgens wordt gesloten, kunnen de elektromagnetische golven niet langer naar buiten reizen en wordt de warmte niet meer gevoeld. Lucht tussen de oven en de operator wordt niet verwarmd door de elektromagnetische golven omdat lucht licht doorlaat (het is niet ondoorzichtig). Alleen ondoorzichtige stoffen met een directe zichtlijn naar de plaats van verbranding worden beïnvloed door de uitgezonden elektromagnetische golven.

Warmte Gevoeld Door Straling

Warmte Gevoeld Door Straling

Warmte-eenheden

Warmte is een vorm van energie en wordt vaak uitgedrukt in Britse thermische eenheden (Btu's) of Calorieën (Cal).

Btu – de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van één pond water met één graad Fahrenheit te verhogen.
Calorie – de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van één gram water met één graad Celsius te verhogen.

Naast de eenheden van Btu en Calorie wordt de eenheid Joule vaak gebruikt.

Specifieke Warmte

Verschillende stoffen vereisen verschillende hoeveelheden warmte om van temperatuur te veranderen. Om een vergelijking tussen stoffen mogelijk te maken, worden stoffen een specifieke warmte (S.H.) waarde gegeven, deze waarden worden vervolgens in tabellen verzameld. De waarden in de verzamelde tabellen zijn slechts benaderingen, de werkelijke specifieke warmtewaarde van een brandstof wordt bepaald door het bemonsteren en analyseren van de brandstof in een laboratorium.

Specifieke warmte is de hoeveelheid warmte die nodig is om één eenheid van de massa van een stof met één eenheid in temperatuur te veranderen. De gebruikte eenheden zijn afhankelijk van of imperiale of metrische eenheden de voorkeur hebben. De energie-eenheden van Britse thermische eenheden (Btu) en Joules (J) worden vaak gebruikt in berekeningen van specifieke warmte.

i	De term specifieke warmtecapaciteit heeft exact dezelfde betekenis als specifieke warmte, de termen worden door elkaar gebruikt.

Voorbeeld 1 (Imperiaal)

Specifieke warmte kan worden berekend als de hoeveelheid warmte die nodig is om één pond van een materiaal met één graad Fahrenheit te veranderen. Imperiale eenheden voor specifieke warmtecapaciteit zijn Btu/lb°F.

Voorbeeld 2 (Metrisch)

Specifieke warmte kan worden berekend als de hoeveelheid warmte-energie die nodig is om één kilogram van een materiaal met één graad Kelvin te veranderen. Metrische eenheden voor specifieke warmtecapaciteit zijn J/kgK. Merk op dat één Celsius gelijk is aan één Kelvin in grootte, dus de eenheid J/kg°C levert dezelfde waarden voor specifieke warmtecapaciteit als wanneer ze worden vermeld in J/kgK.

De specifieke warmtewaarden van verschillende stoffen worden gegeven in de onderstaande tabel.

Stof	Imperiale Specifieke Warmte (S.H.) Waarde (Btu/lb°F)	Metrische Specifieke Warmte (S.H.) Waarde (J/kgK)
Zoet Water	1.0	4,190
IJs	0.49	2,050
Stoom	0.48	2,010
Vuursteen	0.21	879
Ketelsteen	0.19	795
Staal	0.12	502
Koper	0.09	377