Samenvatting warmteleer PDF

Preview

Summary

Samenvatting warmteleer...

Description

Hoofdstuk 1: warmte en temperatuur 1. Temperatuur temperatuur = een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de moleculen van een stof celciusschaal: - symbool T - eenheid °C - overgang ijs-water = 0°C - kokend water = 100°C - thermometer met een uitzetting van kwik of alcohol - kwikthermometer = -30°C tot 350°C - alcoholthermometer = -200°C tot 80°C kelvinschaal: - symbool T - eenheid K - 0°C = 273,15K - geen negatieve temperaturen Fahrenheidschaal: - eenheid °F - 100 °F = temp van menselijk lichaam - 32°F = smeltpunt/vriespunt - 212 °F = kokend water - T(°F) = (9/5)T(°C) + 32

2. Energie en warmte inwendige energie: - kinetische energie = de totale kinetische energie van alle moleculen van een lichaam noemt men de inwendige kinetische energie of thermische energie (E inw) - potentiele energie = de totale potentiele energie van alle moleculen van een lichaam noemt men de inwendige potentiele energie of cohesie energie (E pot) warmtehoeveelheid: - warmte = de energie die uitgewisseld wordt tussen voorwerpen omdat zij zich op verschillende temperatuur bevinden - symbool = Q - eenheid = Joule (J) warmtecapaciteit + soortelijke warmte: - soortelijke of specifieke warmtecapaciteit (c) = geeft warmte weer die opgenomen of afgegeven wordt per massa eenheid en per graad temperatuursverandering Q= m.c. ∆T  Q = hoeveelheid uitgewisselde warmte  m = massa in kg  ∆T = temperatuurverschil in K  soortelijke warmtecapaciteit in J/kgK 1 calorie = 4,186J

Hoofdstuk 2: Faseovergangen 1. Overzicht fase of aggregatietoestand = toestand waarin een stof zich bevind - vaste fase - vloeibare fase - gasfase  druk en temperatuur spelen een rol

2. Smelten en stollen wetten smelten en stollen:  als we een vaste stof verwarmen, dan gaat die bij bepaalde temperatuur smelten  als we een vaste stof afkoelen, dan gaat die bij bepaalde temperatuur stollen  smelttemperatuur (Ts) of stoltemperatuur (Ts)  smelt –en stoltraject: temperatuur blijft een tijdje hetzelfde, ondank het aan-en afvoeren van energie soortelijke smelting –en stollingswarmte  smelten  warmte opnemen  toegevoegde warmte heeft geen temperatuursverhoging tot gevolg  stollen  warmte afgeven  toegevoegde warmte heeft geen temperatuursverlaging tot gevolg --> latente warmte  latente warmte is recht evenredig met de massa van een stof (Q≈m)  latente warmte is afhankelijk van de soort stof (Q≈Cte)  de constante is de soortelijke smeltingswarmte of stollingswarmte (L s) Qs = m. Ls  Q in J  m in kg  Ls in J per kg  

bereken hoeveel warmte nodig is om 5 kg ijs van -21°C om te zetten in water van 50°C cijs = 2,2.103J/(kg.K) en cw = 4,18.103J/(kg.K)

invloed van druk op de smelttemperatuur  om vaste stof te laten smelten hebben we energie nodig  de energie gebruiken we om cohesiekrachten te overwinnen  kristalstructuur breekt af  klein gedeelte energie wordt dus gebruikt om het volume tegen de uitwendige druk in te vergroten  bij hogere druk is hiervoor meer energie nodig  smelttemperatuur komt dus hoger te liggen  smelttemperatuur stijgt dus bij verhoging van uitwendige druk op een stof  p-T diagram = smeltlijn van een stof  smeltlijn verloopt dus praktisch verticaal uitzondering water:  als ijs smelt zal het volume verkleinen  bij verhoogde druk gaat smelttemperatuur dus lager liggen  schaatsen op ijs: verlaging van smelttemperatuur door verhoogde druk  net onder de schaats zal het ijs smelten waardoor je over een laagje water glijdt

3. Sublimeren en condenseren    

sublimeren = potentiele energie van de deeltjes laten toenemen sublimatiewarmte  deeltjes uit kristalstructuur halen tijdens sublimatietraject blijft de temperatuur constant het sublimeren gaat gepaard met grote volumeveranderingen

   

sublimeren bij vriesdrogen: water onttrekken aan bijvoorbeeld diepgevroren koffie-extract, oploskoffie houden we over soortelijke sublimatiewarmte van een stof (Lsu) sublimeren = van vloeistof naar gas condenseren = van gas naar vloeistof

Qsu = m.Lsu invloed van druk op sublimatietemperatuur  bij verhoogde druk gaat een stof minder vlug sublimeren omdat de deeltjes dichter bij elkaar zitten  er is dan meer energie nodig om de deeltjes los te maken  sublimatietemperatuur zal dan verhogen  sublimatietemperatuur in functie van omgevingsdruk = sublimatielijn  zie grafiek p9

4. Verdampen, condenseren en koken verdampen  elke vloeistof blootgesteld aan lucht, verdampt  verdampingssnelheid is afh van soort vloeistof (in elke vloeistof ander cohesiekrachten)  verdamping gebeurt sneller door o luchtverversing boven de vloeistof (we beletten het terugkeren van deeltjes tijdens het botsen tegen elkaar) o vergroting van het vrije vloeistofoppervlak o verhoging van temperatuur  om te verdampen is er warmte nodig Verklaring van het begrip dampspanning  dampdeeltjes botsen tegen de wand en oefenen er druk op uit, de druk noemen we dampdruk of dampspanning  2 soorten stromen: eerst een stroom van deeltjes die zich aan de vloeistof onttrekken en in de dampfase terechtkomen en anderzijds deeltjes uit de dampfase die terugkeren naar de vloeistoffase  hoe meer deeltjes in de dampfase, hoe hoger dampspanning  op een bepaald ogenblik zijn de 2 stromen gelijk = vloeistof is in dynamisch evenwicht met haar damp  de damp is verzadigd, we spreken van maximale dampdruk of maximale dampspanning  maximale dampspanning is afhankelijk van de temperatuur  hoe hoger de temperatuur van de vloeistof in evenwicht met haar damp is, hoe hoger de maximum dampspanning  p-T diagram = dampspanningslijn (uitgangspunt voor het mollier-diagram) condenseren condensatie van damp:  onder invloed van temperatuursvermindering krijgen we condensatie = isobare condensatie  bij constante druk koelt damp af totdat de maximum dampdruk bereikt wordt  dauwen met een dauwpunttemperatuur beginsel van watt:  vloeistof en verzadigde damp samen voorkomen in een afgesloten ruimte waar niet overal dezelfde temperatuur is dan ontstaat er een dampstroom van de plaats met de hoogste temp naar een plek met de laagste temp verdampings-en condensatiewarmte:  soortelijke verdampingswarmte  vloeistof verdampen bij constante temperatuur en druk, dan moeten we constant warmte toevoeren  Q≈m  Q≈Cte (constante = soortelijke verdampingswarmte)

 

Qv= m. Lv soortelijke verdampingswarmte is afh van de temperatuur waarbij het verdampen gebeurt

vochtigheidsgraad van de lucht:  vochtigheid van de lucht = de bepaalde hoeveelheid waterdamp in de lucht  verdamping van water uit de zee, rivieren, planten….  absolute vochtigheidsgraad (AV) = massa waterdamp in gram per kg droge lucht  relatieve vochtigheidsgraad (RV) = verhouding van aanwezige massa waterdamp tot de maximale massa waterdamp die die lucht zou kunnen bevatten bij diezelfde temperatuur  mollier-diagram = aflezen hoeveel gram waterdamp verzadigde lucht maximaal kan bevatten  gedragingen van vocht in de lucht begrijpen  RV lijn van 100% is de verzadigingslijn temperatuur en relatieve luchtvochtigheid:  lucht kan een bepaalde hoeveelheid water bevatten  als lucht de maximale hoeveelheid waterdamp bevat, is zij verzadigd  RV is dan 100%  droge lucht heeft een RV van 0%  hoe hoger de temperatuur van de lucht is, hoe meer waterdamp  Mollierdiagram: o op de Y-as vinden we de luchttemperatuur (droge boltemperatuur DBT) o op de X-as vinden we de absolute vochtigheid weergegeven in grammen water per kg droge lucht o met de RV-lijn van 100% kan al de rest bepaald worden, voor de 50% RV gewoon alles halveren natteboltemperatuur:  gemeten met thermometer waarbij de temperatuurvoeler omgeven is met vochtig kousje  het vochtige kousje verdampt waardoor het potje geregeld moet worden bijgevuld  water onttrokken van het kousje  temperatuur van kousje daalt  temperatuur van voeler ook  omgevingstemperatuur en temperatuur van kousje in evenwicht = nattebol-temperatuur  vochtige lucht = verschil tussen DBT en NBT is klein (RV is hoog)  RV = 100%  NBT en DBT zijn gelijk aan elkaar  NBT lezen we af op dezelfde lijn van RV100%  als NBT of DBT gemeten zijn kan met het diagram de RV bepaald worden  zie voorbeeld! enthalpie:  enthalpie = hoeveelheid energie die is opgeslagen per kg lucht  energie-inhoud van vochtige lucht is opgebouwd uit drietal componenten: o energie-inhoud van droge lucht o energie-inhoud van water bij betreffende luchttemperatuur o verdampingswarmte die nodig is om vloeibaar water om te zetten in waterdamp  het berekenen van de enthalpie van vochtige lucht is met de mollier-diagram niet meer nodig  h is makkelijk te vinden door de horizontale lijn van de luchttemperatuur te snijden met de verticale lijn van het vochtgehalte van de lucht vochtdeficit:  vochtdeficit = verschil tussen verzadigde vochtigheid en de hoeveelheid waterdamp die de lucht werkelijk bevat bij een bepaalde temperatuur, de absolute vochtigheid  bv. 25°C lijn snijden met de 100% RV lijn en vanuit het snijpunt is dan de absolute luchtvochtigheid (x) af te lezen op de x-as  als ∆x hoog is = product kan veel water verdampen  als ∆x laag is = product kan weinig water verdampen  vochtdeficit geeft aan in hoeverre de lucht een groot vochtopnemend vermogen heeft, maar ook of een product veel vocht aan de lucht zal verliezen  planten kunnen bij hoog vochtdeficit slap hangen als ze niet voldoende vocht opnemen uit de bodem

    

onverzadigde lucht die wordt afgekoeld zal op een gegeven moment verzadigd worden koude lucht bevat minder waterdamp dan warme lucht en lucht gaat bij afkoeling oververzadigd worden het punt waarbij na afkoeling van lucht nog net geen condensatie optreedt, heet dauwpunt dauwpunt is belangrijk bij het bepalen of ventilatielucht geschikt is om te ventileren zonder dat condensatie optreedt als dauwpunt van ventilatielucht hoger of gelijk is aan producttemperatuur; dan zal bij deze lucht condensatie optreden op het product

dampspanning:  luchtdruk = een som van druk door gassen als stikstof, zuurstof en waterdamp  waterdampdruk in verzadigde lucht (RV100%) = verzadigde dampdruk  waterdampdruk in onverzadigde lucht = absolute dampdruk koken wetten van koken:  bij een gegeven druk heeft elke stof een bepaalde kooktemperatuur  tijdens het koken blijft de temp van de stof constant  koken = snelle verdamping van een vloeistof waarbij in gans de vloeistof dampbellen ontstaan die opstijgen en openspatten aan het vloeistofoppervlak  een vloeistof kookt in een open vat bij die temperatuur waarbij de maximum dampdruk in de dampbellen gelijk is aan de atmosferische druk op het vloeistof invloed van druk op de kooktemperatuur:  een drukverhoging zal de kooktemperatuur van een vloeistof verhogen  een drukverlaging zal de kooktemperatuur van een vloeistof verlagen kooklijn = druk boven de vloeistof als functie van de kooktemperatuur van de vloeistof  deze lijn valt samen met maximum dampdruklijn = vloeistof kookt als de maximum dampdruk gelijk is aan de atmosferische druk toepassingen:  koken onder verlaagde druk = proef van Franklin, kolf onder koud waterkraan  koken onder verhoogde druk = pot van Papin, stoomketel, snelkookpan

5. Verschil tussen gas en een damp - kritische temperatuur Tkr en pkr - de dichtheid van een vloeistof is veel groter dan de dichtheid van de verzadigde damp - hogere temperatuur: vloeistof zet uit waardoor deeltjes verder van elkaar zitten  dichtheid van vloeistof wordt kleiner  nieuw dynamisch evenwicht - deeltjes moeten de vloeistof verlaten om de damp verzadigd te maken - dichtheid van de damp wordt groter - bij een hogere temperatuur wordt het verschil in dichtheid tussen een vloeistof en haar verzadigde damp steeds kleiner - kritische temperatuur = temperatuur waarbij de dichtheid van een vloeistof gelijk is aan de dichtheid van de verzadigde damp - vanaf deze kritische temperatuur hebben we een gas - met de kritische temperatuur komt natuurlijk ook de kritische druk overeen - kritische temperatuur en kritische druk bepalen het kritische punt van een stof - dat punt K is het eindpunt van de maximum dampdruklijn

6. Vloeibaar maken van gassen kritische temperatuur  boven de kritische temperatuur is een stof een gas

   

om een gas vloeibaar te maken moeten we het gas tot verzadigde damp leiden maw het gas moet onder de kritische temperatuur gebracht worden de waarde van kritische temperatuur is per stof verschillend gedragen als onverzadigde damp = stoffen met kritische temperatuur hoger dan omgevingstemperatuur  drukverhoging om gas vloeibaar te maken gedragen als gas = stoffen met kritische temperatuur lager dan kamertemperatuur  gas afkoelen tot beneden de kritische temperatuur

koeltechnieken 1) adiabatische verdamping:  je hand voelt koud aan tijdens verbranden van ether, lucht kan niet snel genoeg de nodige verdampingswarmte toevoeren  deze warmte wordt aan je hand onttrokken waardoor ze afkoelt  we hebben hier te maken met adiabatische verdamping  een proces waarbij geen warmte wordt uitgewisseld met de omgeving noemen we adiabatisch proces  adiabatisch proces = snel verlopend en goede isolatie 2) adiabatische expansie:  een zelfde resultaat wordt bekomen door de druk in grote mate te verlagen besluit: - een vloeistof die adiabatisch verdampt, koelt heel snel af - een gas koelt zeer snel af bij adiabatische expansie toepassingen: kompressiekoelkast, diepvriezer, frigo, melkkoeltank

7. Toestand van een stof - zie grafiek - tripelpunt = het punt waar de smeltlijn, kooklijn en sublimatielijn snijden - heeft een welbepaalde tripelpunttemperatuur Tt en tripelpuntdruk pt - tripelpunttemperatuur is de enige temperatuur waarbij de vaste fase, vloeibare fase en dampfase met elkaar in evenwicht zijn - stof smelt, kookt en sublimeert als het ware tegelijk

Hoofdstuk 3: transport van warmte 1. Inleiding

warmtetransport = verspreiding van energie onder invloed van temperatuursverschillen het kan op 3 manieren gebeuren:  geleiding  stroming  straling

2. Warmtegeleiding of conductie - als heftig trillende atomen of moleculen aan de warme zijde hun energie door botsing doorgeven aan koude deeltjes dan spreekt men van geleiding - warmte-overdragende deeltjes veranderen niet echt van plaats - kookpan heeft goede geleiding - isolatiematerialen hebben slechte geleiding - ijscompres houdt de kwetsuur koud warmtestroom door 1 materiaal hoeveelheid warmte die door een materiaal stroomt is afh van:  oppervlakte (A)  temperatuurverschil in K  afstand waarover de geleiding moet gebeuren (∂) in m  warmtegeleidingscoefficient (ʎ) in W/mK  hoeveelheid warmte die per seconde doorheen een wand van dat materiaal van 1m2 groot gaat en 1 m dik als er aan weerszijden een temperatuurverschil is van 1°C formule:

de rest: zie cursus...