Handboek · hoofdstuk 16Warmte en temperatuur
Waarom de meetkas in april 32 °C wordt, waarom ze 's nachts afkoelt, en hoe je warmte vasthoudt
Een kopje thee is heter dan een bad, maar het bad bevat veel meer warmte. In dit hoofdstuk leer je het verschil tussen temperatuur en warmte, en reken je temperaturen om naar de wetenschappelijke eenheid, de kelvin. Je ontdekt de drie manieren waarop warmte zich verplaatst: geleiding, stroming en straling, en hoe je ze tegenhoudt met isolatie. Zo begrijp je waarom de meetkas op een zonnige dag zo warm wordt, wat dat te maken heeft met het broeikaseffect van de aarde (en wat niet), en hoe je de kas 's nachts warm houdt.
- Je kan het verschil tussen temperatuur, thermische energie en warmte uitleggen met het deeltjesmodel en met voorbeelden.
- Je kan temperaturen omrekenen tussen graden Celsius en kelvin met , en uitleggen wat het absolute nulpunt is.
- Je kan met de rekenregel 4,2 kJ per liter per graad berekenen hoeveel warmte nodig is om water op te warmen.
- Je kan geleiding, stroming en straling uitleggen en herkennen in voorbeelden.
- Je kan uitleggen waarom stilstaande lucht goed isoleert, en materialen vergelijken met hun warmtegeleiding.
- Je kan uitleggen waarom een kas overdag warm wordt, en hoe het broeikaseffect van de atmosfeer daarvan verschilt.
- Je kan een eerlijke isolatieproef opzetten en een afkoelgrafiek lezen.
- Je kan maatregelen voorstellen om de meetkas 's nachts warm te houden en hun effect schatten.
32 graden in april
In hoofdstuk 4 maten twee sensoren een hele zonnige dag in april: een in de meetkas en een buiten. Buiten werd het niet warmer dan 17,9 °C. In de kas liep de temperatuur op tot 32,0 °C, zo warm dat sommige planten er schade van krijgen. En toch was de kas om 5 uur 's ochtends nog maar 7,7 °C: amper een graad warmer dan buiten.
Die ene grafiek roept drie vragen op die dit hoofdstuk beantwoordt:
- Hoe komt de warmte in de kas, en waarom blijft ze er overdag in hangen?
- Waarom lekt ze 's nachts bijna helemaal weg, door een wand van amper 4 mm?
- Hoe hou je de warmte van de dag vast voor de nacht, zonder een verwarming die veel energie kost?
Om die vragen te beantwoorden, heb je eerst twee woorden nodig die in de dagelijkse taal door elkaar lopen: temperatuur en warmte. Daarna volg je de warmte op haar drie wegen: door een stof heen, met een stroming mee, en als straling.
Wat met de kas gebeurt, ken je van een auto die in de zon geparkeerd staat. Binnen kan het veel warmer worden dan buiten, soms meer dan 50 °C. Laat daarom nooit een kind of een dier achter in een auto in de zon, ook niet 'even'.
Temperatuur en warmte zijn niet hetzelfde
In hoofdstuk 6 leerde je: alle stoffen bestaan uit deeltjes die voortdurend bewegen. Daarmee kan je drie begrippen uit elkaar houden:
- De temperatuur zegt hoe snel de deeltjes gemiddeld bewegen. Ze hangt niet af van hoeveel stof er is: een druppel en een emmer water van 20 °C hebben dezelfde temperatuur.
- De thermische energie is de energie van alle bewegende deeltjes samen. Die hangt wel af van hoeveel stof er is: een bad van 40 °C bevat veel meer thermische energie dan een kopje thee van 80 °C, want het bad heeft veel meer deeltjes.
- Warmte is energie die stroomt: van een voorwerp met een hoge temperatuur naar een voorwerp met een lagere temperatuur. Ze stroomt vanzelf altijd in die richting, en stopt pas als beide even warm zijn. Het symbool voor warmte is ; de eenheid is de joule, zoals voor elke vorm van energie (hoofdstuk 15).
De vonken van een sterretje zijn meer dan 1000 °C heet, maar ze doen geen pijn op je hand: elke vonk is zo klein dat er maar heel weinig warmte in zit. Een pan water van 60 °C doet wel pijn, omdat er veel meer warmte naar je huid kan stromen.
Koude is geen ding dat kan stromen. Wat er gebeurt, is het omgekeerde: warmte stroomt van binnen naar buiten. Net zo 'verwarmt' een trui je niet: je lichaam maakt zelf warmte, en de trui remt af dat die warmte wegstroomt. Een trui om een ijsblokje houdt het ijsblokje net langer koud.
Hoeveel warmte om water op te warmen?
Water heeft veel energie nodig om warmer te worden: om 1 liter water 1 °C warmer te maken, is ongeveer 4,2 kJ nodig. Hoeveel warmte is nodig voor (a) een kopje thee: 0,25 L water van 20 °C tot 100 °C? (b) Een bad: 150 L water van 15 °C tot 40 °C? (c) Welk van de twee wordt het heetst, en welk vraagt het meeste energie?
- rekenregel voor water: per liter per °C
- thee: , van 20 °C naar 100 °C
- bad: , van 15 °C naar 40 °C
- warmte voor de thee
- warmte voor het bad
- vergelijking
- 1De rekenregel als formule:warmte om water op te warmenin kJ, = volume water in liter, = de temperatuurstijging in °C. Alleen voor water; andere stoffen hebben een ander getal (hoofdstuk I18).
- 2(a) Temperatuurstijging: °C. .
- 3(b) Temperatuurstijging: °C. .
- 4(c) De thee wordt het heetst (100 °C tegenover 40 °C), maar het bad vraagt keer zoveel warmte: er moeten veel meer deeltjes sneller gaan bewegen.
Graden Celsius en kelvin
De temperatuurschaal van het dagelijks leven is de schaal van de Zweedse sterrenkundige Anders Celsius (1742): het smeltpunt van ijs en het kookpunt van water bij normale luchtdruk liggen 100 graden uit elkaar. Het nulpunt is een afspraak: 0 °C is 'zo koud als smeltend ijs'. Daarom bestaan er negatieve temperaturen.
In hoofdstuk 6 zag je dat er een laagst mogelijke temperatuur bestaat: het absolute nulpunt, °C, waar de deeltjes zo weinig bewegen als maar kan. De Britse natuurkundige William Thomson, later Lord Kelvin, stelde in 1848 een schaal voor die daar begint. Die kelvinschaal is de SI-eenheid van temperatuur (hoofdstuk 3). Eén kelvin is even groot als één graad Celsius; alleen het nulpunt ligt anders.
Twee gevolgen: in kelvin bestaan er geen negatieve temperaturen, en een temperatuurverschil is in kelvin en in graden Celsius hetzelfde getal. Wordt de kas 24,3 °C warmer, dan is dat ook 24,3 K. Voor veel berekeningen volstaat 273 in plaats van 273,15.
In kelvin is de temperatuur een echte maat voor de beweging van de deeltjes: bij 0 K is ze minimaal. Daardoor worden veel natuurwetten eenvoudig. Een gas bij 600 K heeft deeltjes die gemiddeld twee keer zoveel bewegingsenergie hebben als bij 300 K (hoofdstuk E14). Met graden Celsius kan je dat niet zeggen: 20 °C is niet 'twee keer zo warm' als 10 °C.
Omrekenen naar kelvin
(a) Reken de laagste (7,7 °C) en de hoogste temperatuur (32,0 °C) in de meetkas om naar kelvin. Hoe groot is het verschil in beide eenheden? (b) Vloeibare stikstof kookt bij 77 K. Hoeveel is dat in °C? (c) Iemand zegt: 'Vandaag is het 20 °C, gisteren 10 °C: het is twee keer zo warm.' Klopt dat?
- °C, °C
- 20 °C en 10 °C
- temperaturen in K en het verschil
- 77 K in °C
- twee keer zo warm?
- 1(a) en . Verschil: , en in °C: °C. Hetzelfde getal.
- 2(b) °C, afgerond °C.
- 3(c) In kelvin: en . De verhouding is : de deeltjes bewegen gemiddeld maar ongeveer 3,5 % meer, niet twee keer zoveel.
Warmte op weg (1): geleiding
Warmte stroomt altijd van warm naar koud, maar ze kan dat op drie manieren doen: door geleiding, door stroming en door straling. Bij een pan op het vuur zie je ze alle drie tegelijk (tweede figuur).
Bij geleiding gaat de warmte door een stof heen, zonder dat de stof zelf beweegt. Verwarm je het uiteinde van een metalen staaf, dan gaan de deeltjes daar heviger trillen. Ze botsen tegen hun buren, die daardoor ook heviger gaan trillen, enzovoort: de trilling wordt doorgegeven, en zo kruipt de warmte door de staaf.
Niet elke stof geleidt even goed. Metalen zijn de beste geleiders: ze hebben vrije elektronen (dezelfde die de elektrische stroom vervoeren, hoofdstuk 19) die de energie snel doorgeven. Hout, kunststof en vooral lucht geleiden slecht. Dat getal staat in de tabel:
| materiaal | warmtegeleiding (W per m per K) | geleidt warmte |
|---|---|---|
| koper | 400 | heel goed: metalen |
| aluminium | ± 200 | |
| staal (roestvast staal) | ± 50 (± 15) | |
| ijs | 2,2 | matig |
| beton | ± 1,5 | |
| glas | ± 1 | |
| water | 0,6 | |
| polycarbonaat | 0,20 | slecht |
| dennenhout | ± 0,13 | |
| kurk, schapenwol | ± 0,04 | heel slecht: isolatoren |
| piepschuim (EPS), minerale wol | ± 0,035 | |
| PUR-schuim | ± 0,025 | |
| stilstaande lucht | 0,026 |
Afgeronde waarden (orde van grootte). Hoe kleiner het getal, hoe beter het materiaal isoleert. Wat het getal precies betekent, leer je in hoofdstuk I19.
Dat verklaart waarom een metalen trapleuning in de winter kouder aanvoelt dan een houten, bij dezelfde temperatuur (hoofdstuk 10). Je huid voelt niet de temperatuur, maar hoe snel de warmte uit je hand wegstroomt.
Warmte op weg (2): stroming
In een vloeistof of een gas kan de warme stof zelf bewegen en zo de warmte meenemen. Dat heet stroming of convectie. Warme lucht zet uit (hoofdstuk 6), heeft daardoor een kleinere dichtheid dan de koude lucht eromheen (hoofdstuk 7) en stijgt, zoals een kurk in water. Koude lucht zakt en neemt haar plaats in. Zo ontstaat een kringloop.
Zo warmt een radiator een hele kamer op: de lucht aan de radiator wordt warm, stijgt naar het plafond, koelt af en zakt aan de andere kant van de kamer weer naar beneden. Ondanks zijn naam geeft een radiator het grootste deel van zijn warmte af door stroming, niet door straling.
In de meetkas warmen de grond, de planten en het water op in de zon. Ze geven hun warmte door aan de lucht die ertegen stroomt; die warme lucht stijgt en blijft onder het dak hangen. Zet je het dakraam open (hoofdstuk 12), dan kan de warme lucht bovenaan ontsnappen en valt er koele buitenlucht naar binnen. Een dakraam van 0,60 m × 0,60 m is een sterke rem op oververhitting.
Stroming kan ook gedwongen zijn: een ventilator, of de wind. Daarom voelt een winterse dag met wind veel kouder aan dan een windstille dag bij dezelfde temperatuur: de wind voert de warme laag lucht rond je huid telkens weg.
Laat een korreltje kaliumpermanganaat (of een druppel voedingskleurstof) in een bekerglas koud water op de bodem zakken, aan één kant. Verwarm het bekerglas voorzichtig aan die kant met een kaarsje of een brander. Je ziet een paarse pluim opstijgen, naar de andere kant stromen en weer zakken: een kringloop. Kaliumpermanganaat is schadelijk en kleurt huid en kleren: gebruik een pincet en een schort (hoofdstuk 5).
Zwart, wit of zilver in de zon
Warmt een zwart blikje water sneller op onder een lamp dan een wit of een blinkend blikje?
- drie lege drankblikjes van 330 mL: één mat zwart geverfd, één wit geverfd, één in aluminiumfolie gewikkeld
- maatbeker, water op kamertemperatuur
- drie thermometers of temperatuursensoren
- lamp van 100 W (halogeen of gloeilamp) of volle zon
- stopwatch, lat
- 1Doe in elk blikje 200 mL water van kamertemperatuur. Steek een thermometer in elk blikje.
- 2Zet de drie blikjes op dezelfde afstand (bijvoorbeeld 30 cm) van de lamp, naast elkaar, zodat ze evenveel licht krijgen.
- 3Noteer de begintemperatuur, zet de lamp aan en lees elke twee minuten de temperatuur af, twintig minuten lang.
- 4Zet de metingen in een grafiek, met de tijd horizontaal.
| blikje | 0 min | 10 min | 20 min | stijging |
|---|---|---|---|---|
| zwart | 20,0 °C | 25,1 °C | 29,0 °C | + 9,0 °C |
| wit | 20,0 °C | 21,8 °C | 23,1 °C | + 3,1 °C |
| aluminiumfolie | 20,0 °C | 21,0 °C | 21,8 °C | + 1,8 °C |
Voorbeeld van resultaten in een klas. Het zwarte blikje warmt het snelst op, het blinkende het traagst.
De lamp stuurt energie naar de blikjes als straling: zichtbaar licht en infrarood. Een mat zwart oppervlak neemt bijna alle straling op (het absorbeert ze) en zet ze om in warmte. Een wit oppervlak kaatst het meeste zichtbare licht terug, een blinkend oppervlak kaatst zowel licht als infrarood terug. De grafieken worden na een tijd vlakker: hoe warmer het blikje, hoe meer warmte het zelf weer verliest aan de lucht.
Het werkt ook omgekeerd: een zwart voorwerp straalt ook het best zijn warmte uit, een blinkend het slechtst. Daarom zijn thermosflessen vanbinnen verzilverd, en is een reddingsdeken blinkend. In de meetkas warmt donkere potgrond snel op in de zon. Glastuinders doen het omgekeerde in de zomer: ze maken het glas van hun kas wit met een laagje krijt, zodat er minder zonlicht binnenkomt en de kas minder oververhit.
Warmte op weg (3): straling
De zon verwarmt de aarde door 150 miljoen kilometer luchtledige ruimte heen, waar geen deeltjes zijn om de warmte te geleiden of mee te stromen. Dat kan alleen door straling: licht en onzichtbare infrarode straling (infrarood). Straling heeft geen stof nodig.
Niet alleen de zon straalt. Elk voorwerp zendt infrarood uit, en hoe warmer het is, hoe meer. Je lichaam, een kopje thee, de muren van je kamer, zelfs een ijsblokje: allemaal stralen ze infrarood uit, dat je ogen niet zien. Wordt een voorwerp heel heet, dan zendt het ook zichtbaar licht uit: de gloeiende draad van een broodrooster (rood), de gloeidraad van een lamp (geelwit), de zon (ongeveer 5500 °C aan het oppervlak).
Een warmtecamera ziet infrarood en toont het in kleuren: warme plekken licht, koude plekken donker. Zo zie je waar een huis zijn warmte verliest: rond ramen, onder deuren, langs slecht geïsoleerde muren.
Wat straling tegenhoudt: blinkende oppervlakken die terugkaatsen (aluminiumfolie, de zilverlaag in een thermosfles, een reddingsdeken). En sommige materialen laten zichtbaar licht door, maar houden infrarood grotendeels tegen: glas en polycarbonaat. Dat wordt belangrijk voor de kas.
Infrarood is straling, net als licht, alleen onzichtbaar voor jouw ogen. Het wordt pas warmte als een voorwerp het opneemt. Een infraroodstraal die door de lucht gaat, warmt de lucht nauwelijks op, maar wel je huid als die hem opvangt. Daarom voel je een kampvuur aan je gezicht, ook als de lucht tussen jou en het vuur koud is.
De thermosfles
Een goede thermosfles houdt koffie urenlang warm en ijswater urenlang koud. Ze remt alle drie de manieren van warmtetransport tegelijk af. De Schotse scheikundige en natuurkundige James Dewar vond het principe in 1892 uit, om vloeibare gassen koud te bewaren.
- 1De dop
Van kunststof of kurk, vaak hol: geleidt slecht. Zonder dop zou de warme lucht boven de thee opstijgen en ontsnappen (stroming), en zou er water verdampen.
- 2Het luchtledige
Tussen de twee wanden is de lucht weggepompt. Zonder deeltjes geen geleiding en geen stroming: dit is de belangrijkste isolatie.
- 3De zilverlaag
De wanden zijn aan de kant van het luchtledige verzilverd. Ze kaatsen het infrarood terug naar waar het vandaan komt: dat remt de straling.
- 4De rand
Hier zijn de binnen- en de buitenwand aan elkaar vast. Het is de enige plaats waar warmte door geleiding naar buiten kan: een koudebrug. Daarom is de hals smal en de wand dun.
- 5De inhoud
Hete thee of ijskoud water: de fles werkt in beide richtingen, want ze remt de warmtestroom, welke kant die ook op gaat.
- 6De mantel
Beschermt de breekbare binnenfles (vaak van glas) tegen stoten. Bij een roestvast stalen thermosbeker zijn de wanden zelf van staal.
Isoleren: lucht vangen
Isoleren betekent: de warmtestroom afremmen. Je doet dat met de drie wegen in gedachten:
- Geleiding tegenhouden met materialen die slecht geleiden. De beste 'stof' is stilstaande lucht (0,026 in de tabel): bijna veertig keer slechter dan glas en vijftienduizend keer slechter dan koper, als ze tenminste stilstaat.
- Stroming tegenhouden door de lucht op te sluiten in kleine cellen, zodat ze niet kan rondstromen. Dat doen piepschuim (kleine bolletjes vol lucht), wol, veren, vacht en zelfs verse sneeuw. Het materiaal zelf dient vooral om de lucht vast te houden.
- Straling tegenhouden met een blinkende laag, zoals de aluminiumfolie op isolatieplaten.
Ook een luchtlaag tussen twee platen isoleert: dubbel glas, of de kanaalplaat van de meetkas, twee dunne wanden polycarbonaat met luchtkanalen ertussen. Maar een luchtlaag mag niet te dik zijn: in een brede spleet begint de lucht zelf rond te stromen, en dan isoleert ze minder. Daarom is de spouw van dubbel glas maar ongeveer 1 à 2 cm, en is een dikke meerwandige plaat opgedeeld in meerdere smalle kanalen.
Bouwers geven voor een wand of een plaat de U-waarde: hoeveel warmte er per seconde door 1 m² gaat per graad verschil. Enkel glas: ongeveer 5,8; de kanaalplaat van 4 mm: ongeveer 3,9; een meerwandige plaat van 16 mm: ongeveer 2. Hoe kleiner, hoe beter. Rekenen met de U-waarde doe je in hoofdstuk I19.
In hoofdstuk 10 zag je dat het aluminium frame warmte ongeveer duizend keer beter geleidt dan de polycarbonaatplaten. Waar het profiel van binnen naar buiten loopt, lekt de warmte weg: een koudebrug. Je beperkt ze door de profielen zo smal mogelijk te houden, door een strip kunststof of rubber tussen de plaat en het profiel te zetten (een 'thermische onderbreking'), of door het profiel aan de binnenkant af te dekken met isolerend materiaal.
Een eerlijke isolatieproef
Welk materiaal houdt een pot warm water het langst warm?
- zes gelijke glazen potten van 250 mL met deksel
- isolatie, telkens een laag van ongeveer 1 cm: aluminiumfolie (meerdere lagen), krant (4 lagen), noppenfolie, wollen sjaal, piepschuim (doos of platen)
- waterkoker, maatbeker, plakband
- zes thermometers of temperatuursensoren
- stopwatch
- 1Kies wat je verandert (de onafhankelijke variabele): het isolatiemateriaal. Eén pot krijgt geen isolatie: dat is de controle.
- 2Kies wat je meet (de afhankelijke variabele): de temperatuur van het water, om de 5 minuten, 40 minuten lang.
- 3Hou al de rest gelijk (de gecontroleerde variabelen): dezelfde potten, 250 mL water, dezelfde begintemperatuur (70 °C), dezelfde dikte isolatie rond de wand, de deksels erop, alle potten op dezelfde tafel, weg van de verwarming en het raam.
- 4Vul alle potten tegelijk (of snel na elkaar), sluit ze, wikkel ze in en start de stopwatch.
- 5Herhaal de proef een tweede keer, of vergelijk met een andere groep: één meting bewijst niets (hoofdstuk 2).
| isolatie (1 cm dik) | 0 min | 20 min | 40 min | daling in 40 min |
|---|---|---|---|---|
| zonder isolatie | 70,0 °C | 55,0 °C | 44,0 °C | 26,0 °C |
| aluminiumfolie | 70,0 °C | 57,5 °C | 48,0 °C | 22,0 °C |
| krant (4 lagen) | 70,0 °C | 60,5 °C | 53,0 °C | 17,0 °C |
| noppenfolie | 70,0 °C | 61,5 °C | 55,0 °C | 15,0 °C |
| wollen sjaal | 70,0 °C | 62,5 °C | 56,5 °C | 13,5 °C |
| piepschuim | 70,0 °C | 64,0 °C | 59,0 °C | 11,0 °C |
Voorbeeld van resultaten in een klas (kamer van 20 °C). Hoe beter de isolatie, hoe trager de temperatuur daalt.
Alle potten verliezen warmte, maar niet even snel. Het piepschuim houdt het water het warmst: het bestaat voor meer dan 95 % uit lucht, opgesloten in kleine cellen. Wol en noppenfolie werken om dezelfde reden. Aluminiumfolie helpt maar een beetje: het kaatst infrarood terug en houdt de luchtstroming langs de pot tegen, maar het is dun en metaal geleidt goed.
Alle krommen worden vlakker naarmate het water afkoelt: hoe kleiner het temperatuurverschil met de kamer, hoe trager de warmte wegstroomt. Na lange tijd hebben alle potten 20 °C. Isolatie houdt de warmte dus niet tegen, ze remt ze af.
Waarom is de proef eerlijk? Omdat alleen het materiaal verschilt. Neem je voor het piepschuim heter water of een pot zonder deksel, dan weet je niet meer wat het verschil veroorzaakt.
Waarom de kas overdag warm wordt
Nu kan je de grafiek van het begin van dit hoofdstuk verklaren. Volg de energie van het zonlicht (hoofdstuk 15):
- Het zonlicht komt binnen. De polycarbonaatplaten laten ongeveer 80 % van het zonlicht door. Het meeste valt op de grond, de planten, de bakjes en het water.
- Het wordt warmte. Die voorwerpen nemen het licht op en warmen op, net zoals het zwarte blikje in de proef. Ze geven hun warmte door aan de lucht die ertegen stroomt.
- De warme lucht kan niet weg. Buiten zou de opgewarmde lucht opstijgen en meteen vervangen worden door koelere lucht, en zou de wind ze wegblazen. In de kas zitten wanden en een dak: de warme lucht blijft binnen. Dat is de belangrijkste reden waarom een kas warm wordt: de stroming wordt tegengehouden.
- Het infrarood blijft grotendeels binnen. De warme grond en planten stralen infrarood uit. Polycarbonaat (en glas) laat dat infrarood maar weinig door: de plaat neemt het op, warmt op, en straalt een deel ervan terug naar binnen. Ook dat helpt, maar minder dan het opsluiten van de lucht.
- Evenwicht. Hoe warmer de kas, hoe sneller ze warmte verliest door geleiding door de dunne platen en langs de kieren. De temperatuur stijgt tot er evenveel warmte weglekt als er binnenkomt. Op de zonnige aprildag lag dat evenwicht rond 32 °C.
En 's nachts? Dan komt er niets meer binnen, maar het weglekken gaat door. De grond en het water geven hun warmte van de dag langzaam af, maar de dunne wand laat die snel door. Op een heldere nacht straalt de kas bovendien infrarood uit naar de koude hemel. Tegen de ochtend is de kas bijna even koud als buiten.
Een kas met een ruit van zout
Klopt het wel dat een kas vooral warm wordt omdat de lucht niet weg kan? In 1909 zocht de Amerikaanse natuurkundige Robert W. Wood het uit met een slimme proef. Hij maakte twee kleine dozen van zwart karton. De ene dekte hij af met een glasplaat, de andere met een plaat steenzout. Steenzout ziet eruit als glas, maar het laat infrarood bijna volledig door. Als het tegenhouden van infrarood de belangrijkste reden was, moest de doos met zout veel koeler blijven.
Hij zette beide dozen in de zon, met een thermometer in elk. Beide werden flink warm. Om eerlijk te vergelijken, liet hij het zonlicht eerst door een extra glasplaat gaan, zodat beide dozen precies hetzelfde licht kregen. Resultaat: beide dozen werden ongeveer 55 °C, en het verschil was minder dan één graad. Zijn besluit: een kas wordt vooral warm omdat ze de opgewarmde lucht opsluit.
Latere onderzoekers herhaalden de proef zorgvuldiger. Zij vonden dat het tegenhouden van infrarood wel een beetje uitmaakt, maar dat Wood gelijk had over het belangrijkste effect. In opdracht 16.14 herhaal je een eenvoudige versie: huishoudfolie laat, net als steenzout, veel infrarood door.
Wood trok ook een besluit over de atmosfeer van de aarde, en dat klopte niet: rond de aarde zit geen dak dat de lucht opsluit. Daar werkt het 'broeikaseffect' helemaal via de straling. Hoe, zie je op het volgende blad.
Het broeikaseffect van de aarde
De aarde heeft ook een 'broeikaseffect', maar het werkt anders dan in een kas. Er is geen dak: de lucht kan vrij opstijgen en rondstromen. Het effect zit in de straling:
- Het zonlicht gaat bijna ongehinderd door de lucht en warmt het aardoppervlak op.
- Het warme aardoppervlak straalt infrarood uit, naar boven.
- Enkele gassen in de lucht nemen een deel van dat infrarood op: de broeikasgassen. De belangrijkste zijn waterdamp, koolstofdioxide (CO2), methaan en lachgas. Stikstof en zuurstof, samen 99 % van de droge lucht, doen dat niet.
- De broeikasgassen stralen die energie weer uit, in alle richtingen: een deel naar de ruimte, een deel terug naar de grond. Daardoor krijgt het aardoppervlak meer energie dan van de zon alleen, en wordt het warmer.
Dat natuurlijke broeikaseffect is levensbelangrijk. Zonder broeikasgassen zou de gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak ongeveer −18 °C zijn in plaats van ongeveer 15 °C: een aarde vol ijs.
Het probleem is het extra broeikaseffect. Door steenkool, aardolie en aardgas te verbranden, brengt de mens veel CO2 in de lucht. Voor 1850 zat er ongeveer 280 deeltjes CO2 per miljoen deeltjes lucht (280 ppm), in 2025 al 427 ppm. Meer broeikasgassen betekent dat er meer infrarood naar de grond teruggestraald wordt: de aarde warmt op. Daarover gaat hoofdstuk 17.
Het woord 'broeikaseffect' doet dat denken, maar de twee werken verschillend. Een kas wordt vooral warm omdat het dak de warme lucht opsluit (stroming tegengehouden). De atmosfeer sluit niets op: de lucht stroomt vrij. Daar komt het effect van broeikasgassen die infrarood opnemen en terugstralen. Wat ze gemeen hebben: zonlicht komt makkelijker binnen dan de warmte weer weg kan.
Habitat: de meetkas 's nachts warm houden
De platen van de meetkas laten ongeveer 50 kJ warmte per uur door voor elke graad dat de kas warmer is dan buiten (door de tafel en de kieren nog wat meer). Het reservoir bevat 24 L water. Op een lentenacht van 12 uur koelt dat water 5 °C af. (a) Hoeveel warmte geeft het reservoir af? (b) Hoeveel warmer dan buiten kan dat de kas gemiddeld houden? (c) Een nachtscherm van noppenfolie tegen de binnenkant halveert het verlies. Wat is dan het effect? (d) Je zet er nog vier donkere jerrycans van 10 L water bij, die overdag in de zon opwarmen en 's nachts ook 5 °C afkoelen. (e) Hoeveel energie zou een elektrisch verwarmingselement nodig hebben om de kas zonder scherm de hele nacht 5 °C warmer te houden?
- verlies: per uur per °C verschil (met nachtscherm: )
- nacht: 12 uur
- reservoir: , koelt 5 °C af
- extra water: , koelt 5 °C af
- water: per liter per °C
- warmte uit het reservoir
- verschil met buiten, zonder en met nachtscherm, en met extra water
- energie voor een verwarming
- 1(a) . Per uur: .
- 2(b) De kas verliest 50 kJ per uur per graad. Met 42 kJ per uur blijft ze gemiddeld °C warmer dan buiten. Dat klopt met de meting van hoofdstuk 4 (ongeveer 1 °C): de potgrond geeft ook nog wat warmte af.
- 3(c) Met het scherm verliest de kas nog 25 kJ per uur per graad: °C. Het scherm verdubbelt het effect, zonder één joule extra energie.
- 4(d) Extra water: . Samen , of per uur. Met scherm: °C warmer dan buiten.
- 5(e) per nacht, de energie van drie snoeprepen, elke nacht opnieuw. In hoofdstuk 17 zie je dat het zonnepaneel van de meetkas in de winter per dag minder dan een tiende daarvan levert.
Overzicht: warmte en temperatuur
De formules, de drie wegen van warmte en de warmtegeleiding van materialen op één blad.
| symbool | betekenis | eenheid |
|---|---|---|
| temperatuur | kelvin (K) | |
| temperatuur | graad Celsius (°C) |
| symbool | betekenis | eenheid |
|---|---|---|
| warmte | kilojoule (kJ) | |
| volume water | liter (L) | |
| temperatuurstijging | °C (of K) |
| geleiding | stroming (convectie) | straling | |
|---|---|---|---|
| hoe? | deeltjes geven hun trilling door aan hun buren | warme lucht of vloeistof verplaatst zich en neemt de warmte mee | infrarood (en licht) gaat van het warme voorwerp naar het koude |
| waar? | vooral in vaste stoffen | alleen in vloeistoffen en gassen | overal, ook door het luchtledige |
| voorbeeld | een metalen lepel in hete soep | verwarming die een kamer opwarmt, wind | de zon, een kampvuur |
| tegenhouden | isolatiemateriaal, stilstaande lucht, vacuüm | lucht opsluiten in kleine cellen, kieren dichten | blinkende oppervlakken die terugkaatsen |
| materiaal | warmtegeleiding (W per m per K) | geleidt warmte |
|---|---|---|
| koper | 400 | heel goed: metalen |
| aluminium | ± 200 | |
| staal (roestvast staal) | ± 50 (± 15) | |
| ijs | 2,2 | matig |
| beton | ± 1,5 | |
| glas | ± 1 | |
| water | 0,6 | |
| polycarbonaat | 0,20 | slecht |
| dennenhout | ± 0,13 | |
| kurk, schapenwol | ± 0,04 | heel slecht: isolatoren |
| piepschuim (EPS), minerale wol | ± 0,035 | |
| PUR-schuim | ± 0,025 | |
| stilstaande lucht | 0,026 |
Afgeronde waarden (orde van grootte). Hoe kleiner het getal, hoe beter het materiaal isoleert. Wat het getal precies betekent, leer je in hoofdstuk I19.
| begrip | betekenis |
|---|---|
| temperatuur | hoe snel de deeltjes gemiddeld bewegen; niet afhankelijk van de hoeveelheid |
| thermische energie | de energie van alle bewegende deeltjes samen |
| warmte | energie die van warm naar koud stroomt |
| broeikaseffect in een kas | vooral: de warme lucht kan niet weg; deels: de platen houden infrarood tegen |
| broeikaseffect van de aarde | broeikasgassen nemen infrarood op en stralen een deel terug naar de grond |
Waar warmte naartoe leidt
Warmte en temperatuur verbinden de leerlijn Energie met Materie en chemie: het deeltjesmodel verklaart wat temperatuur is en waarom metalen goed geleiden. Met de isolatieproef en de afkoelgrafieken zit je in Onderzoeken en meten, en met isoleren en het warm houden van de kas in Ontwerpen en maken. In Intermediate reken je warmte en warmteverlies echt uit, in Expert bouw je er een warmtemodel mee dat de temperatuur van het station voorspelt.
Het temperatuurverloop van de meetkas tekenen en lezen.
Temperatuur als beweging van deeltjes, uitzetten, en condens op de koude wand.
Warme lucht heeft een kleinere dichtheid en stijgt.
Warmtegeleiding als materiaaleigenschap; de koudebrug van het aluminium frame.
Warmte als energievorm; waarom bijna alle energie op het eind warmte wordt.
CO2 en het klimaat; de zonneboiler; warmte opslaan in water.
Een thermostaat die het dakraam of een verwarming aan- en uitzet.
Warmte berekenen voor elke stof: ; water als warmtebuffer.
Lambda-waarde, R-waarde, U-waarde en het warmteverlies van een kleine kas berekenen.
Waarom je bij gassen met kelvin moet rekenen.
Geleiding, convectie en straling in formules; het warmtemodel van het station.
In het kort
- Temperatuur zegt hoe snel de deeltjes gemiddeld bewegen; thermische energie is de energie van alle deeltjes samen; warmte is energie die van warm naar koud stroomt.
- Om 1 L water 1 °C warmer te maken, is ongeveer 4,2 kJ nodig: .
- Kelvin is de SI-eenheid van temperatuur: . Het absolute nulpunt is 0 K = −273,15 °C. Een verschil van 1 °C is een verschil van 1 K.
- Warmte verplaatst zich door geleiding (vooral in vaste stoffen, metalen het best), stroming (in vloeistoffen en gassen) en straling (infrarood, ook door het luchtledige).
- Isoleren is de warmtestroom afremmen: stilstaande lucht in kleine cellen of smalle luchtlagen, blinkende lagen tegen straling. Een metalen profiel is een koudebrug.
- Een kas wordt warm vooral omdat ze de opgewarmde lucht opsluit, en deels omdat de platen infrarood tegenhouden.
- Het broeikaseffect van de aarde werkt via straling: broeikasgassen nemen infrarood op en stralen een deel terug naar de grond. Meer CO2 betekent opwarming.
- Een eerlijke isolatieproef verandert één ding (het materiaal) en houdt al de rest gelijk, met een controle zonder isolatie.
- De meetkas warm houden 's nachts: kieren en dakraam dicht, een nachtscherm, water als warmtebuffer. Verwarmen kost veel meer energie.
Wat je nu kent
- temperatuur
- Een maat voor hoe snel de deeltjes van een stof gemiddeld bewegen; je meet ze met een thermometer, in °C of in kelvin.
- thermische energie
- De energie van alle bewegende deeltjes in een voorwerp samen; hoe meer deeltjes en hoe sneller, hoe meer.
- warmte
- Energie die van een warm naar een kouder voorwerp stroomt, omdat hun temperatuur verschilt.
- kelvin
- De SI-eenheid van temperatuur. De kelvinschaal begint bij het absolute nulpunt: .
- absoluut nulpunt
- De laagst mogelijke temperatuur, 0 K of −273,15 °C: de deeltjes bewegen zo weinig als maar kan.
- geleiding
- Warmtetransport doordat deeltjes hun trilling doorgeven aan hun buren, vooral in vaste stoffen.
- stroming (convectie)
- Warmtetransport doordat een warme vloeistof of een warm gas zich verplaatst en de warmte meeneemt.
- straling
- Warmtetransport door infrarood en licht; werkt ook door het luchtledige.
- isolator
- Een materiaal dat warmte slecht geleidt, zoals piepschuim, wol of stilstaande lucht.
- koudebrug
- Een plaats in een wand waar warmte veel makkelijker naar buiten lekt dan elders, bijvoorbeeld een metalen profiel.
- broeikaseffect
- De opwarming van het aardoppervlak doordat broeikasgassen infrarood opnemen en een deel ervan terug naar de grond uitstralen.