Warmte

Les 1: Warmte en temperatuur

De lesstof:

Hoe dingen warm worden

In je huis zijn er allemaal dingen die warmte geven. Denk aan de ketel die water opwarmt voor de verwarming, de oven die eten bakt, of zelfs de föhn die je haar droogt. Zelfs op school, wanneer je experimenten doet, gebruik je warmtebronnen zoals een gasbrander.

Sommige dingen, zoals een dompelaar, gebruiken elektriciteit om warmte te maken. Wanneer je de dompelaar aanzet, stroomt er elektriciteit door en wordt het warm. Dat komt doordat de elektriciteit verandert in warmte. Dit kan je laten zien met een speciaal diagram waar de energie naartoe gaat.

Joule

We meten deze energie in iets dat 'joule' heet. Een joule is een maat voor energie die overal ter wereld wordt gebruikt. Om te berekenen hoeveel energie iets gebruikt, vermenigvuldigen we het vermogen van het ding (gemeten in watt) met de tijd dat het aanstaat (gemeten in seconden).

Maar één joule is niet veel. Het is genoeg om een apparaat van één watt één seconde te laten werken. Dat is niet lang! Dus voor dingen die we dagelijks gebruiken, werken we vaak met 'kilojoules' of 'megajoules', die veel groter zijn.

Warmte

Als je iets opwarmt, zoals water voor thee, zie je dat de temperatuur stijgt naarmate het warmer wordt. Je kunt dit meten door regelmatig de temperatuur te checken en op te schrijven, bijvoorbeeld elke minuut. Als je deze gegevens in een grafiek zet, kun je zien hoe snel het opwarmt en hoeveel warmte het nodig heeft.

Je kunt ook een speciale 'warmtemeter' gebruiken voor nauwkeurige metingen. Het is als een geïsoleerd bakje met een thermometer erin. Zo kun je precies zien hoeveel warmte iets nodig heeft om warmer te worden. Met deze metingen kun je allerlei vragen beantwoorden, zoals hoeveel warmte er nodig is om water te laten koken of hoe andere vloeistoffen opwarmen.

De formule voor warmte uit elektrische bronnen is als volgt:

Q = E = P * t

Q = Warmte  in Joule (J)

E = Energier in Joule (J)

P = Vermogen in Watt (W)

t = Tijd in seconde (s)

Les 2: Brandstof verbranden

De lesstof:

Warmte van brandstoffen

Brandstoffen zijn geweldig omdat ze warmte leveren. Hiermee kunnen we huizen verwarmen, water opwarmen en eten koken. Er zijn allemaal verschillende soorten brandstoffen, zoals hout, stookolie en aardgas. Vooral in Nederland gebruiken veel mensen aardgas om hun huizen warm te houden. Maar de overheid wil uiteindelijk stoppen met het gebruik van aardgas, al zal dat nog wel even duren.

In al die brandstoffen zit iets dat 'chemische energie' heet. En als je die brandstof verbrandt, verandert die energie in warmte. Dat gebeurt bijvoorbeeld in een cv-ketel. Dus eigenlijk geven die brandstoffen hun energie weg als warmte, en dat kunnen we goed gebruiken.

Elke brandstof heeft zijn eigen 'verbrandingswarmte'. Dat is gewoon hoeveel warmte je krijgt als je een bepaalde hoeveelheid van die brandstof verbrandt. Stel je voor, als je 1 kubieke meter aardgas verbrandt, krijg je 32 miljoen joule warmte. Je kunt in een speciaal boekje, de Binas, opzoeken hoeveel warmte andere brandstoffen geven.

Als we praten over verbrandingswarmte, gebruiken we verschillende maten. Voor vaste brandstoffen meten we in megajoule per kilogram (MJ/kg), voor vloeistoffen in megajoule per liter (MJ/L) en voor gassen in megajoule per kubieke meter (MJ/m3). Dat is handig, want het is makkelijker om bijvoorbeeld de massa van vaste stoffen te meten dan het volume.

Aardgas verbranden

Aardgas is een mix van verschillende gassen. Het belangrijkste gas daarin is methaan, dat voor ongeveer 80% aanwezig is, en dan is er ook nog stikstof, ongeveer 14%. Deze gassen kun je niet zien of ruiken, dus ze voegen er een speciaal luchtje aan toe, zodat je het kunt ruiken als er een lek is.

Als je aardgas mengt met lucht en het aansteekt, verbrandt het methaan in het gas. De stikstof doet eigenlijk niks. Als er genoeg lucht is, verbrandt het methaan helemaal en krijg je koolstofdioxide en waterdamp. Koolstofdioxide en waterdamp kun je niet zien, maar je kunt ze laten zien met speciale stoffen.

Het is belangrijk dat apparaten zoals cv-ketels en gasfornuizen genoeg lucht krijgen. Anders kan het methaan niet helemaal verbranden en krijg je giftig gas, koolstofmonoxide. Dat kun je niet ruiken of zien, maar het is heel gevaarlijk. Elk jaar zijn er mensen die eraan overlijden.

De gasbrander

Ook de gasbrander die je op school gebruikt, werkt op aardgas. Met de knoppen kun je regelen hoeveel gas en lucht erbij komen. Als er genoeg lucht is, verbrandt het gas helemaal en krijg je alleen koolstofdioxide en water. Als er te weinig lucht is, krijg je roet en een gele vlam.

Met een gasbrander kun je heel heet worden, wel tot 1500 °C! Dat is veel heter dan bijvoorbeeld een dompelaar. In de gele vlam van een gasbrander zitten kleine deeltjes die je kunt zien als je bijvoorbeeld een reageerbuis erin houdt.

De gasbrander

Ook de gasbrander die je op school gebruikt, werkt op aardgas. Met de knoppen kun je regelen hoeveel gas en lucht erbij komen. Als er genoeg lucht is, verbrandt het gas helemaal en krijg je alleen koolstofdioxide en water. Als er te weinig lucht is, krijg je roet en een gele vlam.

Met een gasbrander kun je heel heet worden, wel tot 1500 °C! Dat is veel heter dan bijvoorbeeld een dompelaar. In de gele vlam van een gasbrander zitten kleine deeltjes die je kunt zien als je bijvoorbeeld een reageerbuis erin houdt.

Temperatuur in graden Celsius en Kelvin

We meten temperatuur vaak in graden Celsius, maar soms ook in Kelvin. Kelvin lijkt veel op Celsius, maar het nulpunt is anders. 0 Kelvin is hetzelfde als -273 graden Celsius. Om van Celsius naar Kelvin te gaan, tel je er 273 bij op. En om terug te gaan van Kelvin naar Celsius, trek je er 273 vanaf.

Les 3: Warmtetransport

De lesstof:

De verwarming thuis

Op deze tekening zie je hoe de verwarmingsinstallatie van een huis eruitziet. In de cv-ketel wordt water warm gemaakt door aardgas te verbranden. Dit warme water gaat dan naar de radiatoren, waar het zijn warmte afgeeft. Op die manier worden alle kamers in huis lekker warm.

Die warmte moet van de cv-ketel naar de verschillende kamers in huis reizen. Daarbij gebruiken we verschillende manieren van 'warmtetransport': geleiding, stroming en straling.

Geleiding

Stel je voor dat heet water de radiator instroomt. Het metaal van de radiator is een goede geleider, dus wordt de buitenkant van de radiator snel warm. De warmte gaat gemakkelijk door het metaal heen. Dat noemen we geleiding: de warmte verplaatst zich door een stof die zelf niet beweegt.

Bij geleiding gaat de warmte van waar het warm is (bijvoorbeeld binnenin de radiator) naar waar het koud is (bijvoorbeeld buitenkant van de radiator). Hoe groter het verschil in temperatuur, hoe meer warmte er wordt verplaatst.

Metalen zijn goede geleiders, daarom zijn veel potten en pannen in de keuken van metaal. Hout en plastic zijn juist slechte geleiders, daarom gebruiken we houten lepels in de soep en hebben waterkokers handvatten van plastic.

Stroming

Als de lucht rond een radiator warm wordt, ontstaat er een stroming. De warme lucht zet uit, stijgt op en verspreidt de warmte door de kamer. Ondertussen stroomt er koude lucht naar de radiator toe, die dan ook weer warm wordt en opstijgt.

De bewegende lucht neemt de warmte mee naar alle hoeken van de kamer. Dit heet stroming. Zelfs al is lucht een slechte geleider, kan het veel warmte vervoeren door deze beweging.

Straling

Als je je hand vlak voor een radiator houdt, voel je de warmte. Dat komt door de infrarode straling die de radiator uitzendt. Voorwerpen, zoals je hand, kunnen die straling absorberen en daardoor warm worden.

Infrarode straling en licht kunnen dus warmte vervoeren van warmere naar koudere voorwerpen. Straling heeft geen tussenstof nodig en kan zelfs door vacuüm, zoals in de ruimte. Denk maar aan hoe de zon ons opwarmt, zelfs van zo ver weg.

Kleur en materiaal

Donkere voorwerpen absorberen veel straling en worden daardoor warm. Lichte voorwerpen kaatsen juist veel straling terug en worden minder warm. Daarom dragen we 's zomers liever lichte kleding, en daarom is een wit T-shirt op een warme dag comfortabeler dan een zwart shirt.

Les 4: Isoleren

De lesstof:

Wat kun je doen tegen warmteverlies?

Als er warmte ontsnapt, moet je ervoor zorgen dat er meteen weer nieuwe warmte binnenkomt. Anders wordt het binnen net zo koud als buiten! Daarom blijft een cv-ketel of een warmtepomp op koude dagen constant werken om het lekker warm binnen te houden.

Als een huis niet goed geïsoleerd is, verdwijnt er te veel warmte naar buiten. Een warmtepomp kan dan niet genoeg warmte maken om het huis warm te houden. Een cv-ketel doet het beter, maar moet wel non-stop werken om de verloren warmte aan te vullen.

Je kunt warmteverlies verminderen door je huis te isoleren. Dan hoeft de cv-ketel niet zo hard te werken om het lekker warm te houden. Met isolatie ontsnapt er minder warmte naar buiten en verbruik je dus minder energie.

Warmteverlies

Stel je voor: je zet de verwarming aan in een kamer en het wordt lekker warm. Maar na een tijdje merk je dat het niet warmer wordt, zelfs als de verwarming nog aan staat. Dat komt doordat er net zoveel warmte naar buiten glipt door de muren, de ramen, de vloer en het plafond als de verwarming binnen maakt.

Een deel van die warmte ontsnapt als we de ramen openzetten en frisse lucht naar binnen laten. Maar er verdwijnt ook warmte gewoon door de muren, ramen, vloeren en het dak van ons huis.

Er zijn een paar manieren waarop warmte ontsnapt:

• Geleiding: Warmte gaat door de muren en ramen naar buiten.

• Stroming: Als de lucht stroomt, neemt het warmte mee naar buiten.

• Straling: Zelfs warme muren en ramen stralen warmte uit.

Isoleren van muren

Je kunt het warmteverlies door een muur stoppen door isolatiemateriaal aan te brengen. Ook daken en vloeren worden vaak op deze manier geïsoleerd. Een laag van vijf centimeter isolatiemateriaal kan het warmteverlies door een muur vier keer kleiner maken!

In isolatiematerialen zitten allemaal kleine ruimtes met lucht. Omdat die lucht in de kleine ruimtes vastzit, kan het niet stromen. Lucht geleidt warmte heel slecht, veel slechter dan plastic, glas of andere materialen.

Een huis isoleren

Er zijn nog meer manieren om een huis te isoleren. Hier zijn een paar voorbeelden:

Dubbelglas: Veel warmte ontsnapt door de ramen. Daarom hebben de meeste huizen tegenwoordig dubbelglas. Door enkelglas te vervangen door dubbelglas, verlies je de helft minder warmte. En hr++ of hr+++ glas is nog beter in isoleren!

Spouwmuurisolatie: Veel huizen hebben dubbele muren met daartussen een luchtlaag, de spouw. Door de spouw te vullen met isolatiemateriaal, kun je meer dan de helft van het warmteverlies stoppen.

Stralingsisolatie: Een radiator zendt warmtestraling uit naar de muur. Als je glanzende folie op de muur plakt, kaatst de straling terug de kamer in en blijft het warmer.

Dak- en vloerisolatie: Daken en vloeren kun je isoleren met materialen zoals glaswol, steenwol en polystyreen. Het isolerende effect komt vooral door de lucht die in deze materialen zit.

Energie en geld besparen

Door je huis te isoleren, gebruik je minder energie om het warm te houden. Dat is goed voor het milieu én voor je portemonnee. Elke kubieke meter aardgas die je bespaart, betekent minder luchtvervuiling én een lagere energierekening. Natuurlijk kost isoleren geld, maar na een tijdje verdien je die kosten weer terug door lagere energierekeningen.