Fundamental · Werkboek · 16. Warmte en temperatuur StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me
SE
StemExpert
F16. Warmte en temperatuur — werkboek
FFundamental · deel F4 · Energie
Werkboek · hoofdstuk 16Warmte en temperatuur
Waarom de meetkas in april 32 °C wordt, waarom ze 's nachts afkoelt, en hoe je warmte vasthoudt
Je begint met het verschil tussen temperatuur en warmte, omrekenen naar kelvin, de drie wegen van warmte en rekenen met water. Daarna voer je zelf een eerlijke isolatieproef uit, lees je afkoelgrafieken en de meting van de meetkas, en ontmasker je misvattingen over het broeikaseffect. In de uitdagingen maak je een nachtplan voor de meetkas (opdracht 16.13, voor je Habitat-portfolio), onderzoek je een minikas zoals Wood, reken je aan een poolstation zonder verwarming en bouw je een doos die een ijsblokje zo lang mogelijk bewaart.
Door een warmtecamera: de grond en het water houden de warmte vast, het aluminium frame is het koudst.
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenenToepassenUitdagen
Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).
De StemExpert-schaal5
Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.
Oefenen
Oefenen
één stap, direct toepassen
16.1
Temperatuur of warmte?
Oefenen1Begrijpen10 min
Vul telkens het juiste woord in: temperatuur, warmte of thermische energie.
a
De van de soep is 70 °C.
b
Er stroomt van de hete soep naar de koude lepel.
c
Een zwembad van 25 °C bevat meer dan een kop koffie van 80 °C.
d
Een thermometer meet de .
e
Een wollen trui houdt de van je lichaam vast.
f
Waarom is 'de kou komt binnen' natuurkundig niet juist? Wat gebeurt er echt?
16.2
Celsius en kelvin
Oefenen1Rekenen10 min
Gebruik T=t+273,15.
a
Vul de tabel in.
in °C
in K
(a) lichaamstemperatuur
37
(b) de meetkas om 5 uur
7,7
(c) een winternacht
−12
(d) kamertemperatuur
293,15
(e) het oppervlak van de maan 's nachts
100
(f) het absolute nulpunt
0
b
Het water in het reservoir warmt op van 12 °C tot 19 °C. Hoe groot is de stijging in °C en in K?
16.3
Welke weg neemt de warmte?
Oefenen1Begrijpen10 min
Geleiding, stroming of straling? Soms zijn het er twee.
a
Vul in.
situatie
manier(en)
(a) je voelt de warmte van een kampvuur op je gezicht
(b) het handvat van een metalen pan wordt heet
(c) in een kamer is het aan het plafond warmer dan bij de vloer
(d) de zon verwarmt de aarde
(e) je handen worden koud als je een sneeuwbal vasthoudt
(f) de wind voelt koud aan
(g) een haardroger droogt je haar
16.4
Water opwarmen
Oefenen2Rekenen12 min
Gebruik de rekenregel Q=4,2⋅V⋅Δt (Q in kJ, V in L, Δt in °C).
a
Een waterkoker warmt 1,5 L water op van 15 °C tot 100 °C. Hoeveel warmte gaat er naar het water?
b
Het reservoir van de meetkas (30 L, vol) warmt op een zonnige dag 8 °C op. Hoeveel warmte slaat het op?
c
Je geeft 84 kJ aan 2,0 L water. Hoeveel graden warmer wordt het?
16.5
Goede en slechte geleiders
Oefenen2Begrijpen12 min
Gebruik de tabel met warmtegeleiding in het handboek.
a
Waarom heeft een pan een bodem van metaal en een handvat van kunststof of hout?
b
Een tegelvloer voelt 's ochtends kouder aan dan een houten vloer in dezelfde kamer. Zijn ze kouder? Leg uit.
c
Een natte trui isoleert veel slechter dan een droge. Verklaar met de tabel.
d
Hoeveel keer beter geleidt aluminium dan polycarbonaat? Wat betekent dat voor het frame van de meetkas?
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
16.6
Labo: een eerlijke isolatieproef
Toepassen3Labo50 min
Voer zelf de isolatieproef uit het handboek uit, met minstens vier materialen en een controle. Kies zelf welke materialen je test, bijvoorbeeld om te bepalen waarmee je de meetkas 's nachts het best afdekt.
a
Noteer je onafhankelijke, afhankelijke en gecontroleerde variabelen.
b
Meet om de 5 minuten, 40 minuten lang.
t (min)
controle
materiaal 1
materiaal 2
materiaal 3
materiaal 4
c
Teken de afkoelkrommen in één grafiek, met een legende.
d
Rangschik de materialen van best tot slechtst isolerend. Verklaar de winnaar met de drie wegen van warmte.
e
Wat zou je verbeteren als je de proef opnieuw deed?
Zo wordt dit beoordeeld
Eerlijke proef
Eén variabele (het materiaal), een controle zonder isolatie, al de rest gelijk en benoemd.
Metingen
Om de 5 minuten, met eenheden, voor alle potten.
Grafiek
Assen met grootheid en eenheid, passende schaal, een kromme per materiaal, legende.
Besluit
Rangschikking volgt uit de metingen; verklaring met opgesloten lucht, geleiding en straling; verbetervoorstel.
16.7
Afkoelgrafieken lezen
Toepassen3Analyseren15 min
Een leerling giet koffie van 85 °C in drie bekers en meet hoe ze afkoelt.
Koffie in een kartonnen beker (zonder deksel), een keramische mok en een thermosbeker.
a
Hoe warm is de koffie in elke beker na 30 minuten?
b
Na hoeveel minuten is de koffie in de kartonnen beker en in de mok afgekoeld tot 40 °C?
c
Waarom daalt de temperatuur in het begin sneller dan later?
d
Welke eigenschappen van de thermosbeker verklaren zijn kromme?
16.8
De meting van de meetkas verklaren
Toepassen3Analyseren20 min
De meetkas en buiten, op een zonnige dag in april, om de twee uur (dezelfde meting als in hoofdstuk 4).
tijdstip (h)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
in de kas (°C)
9,5
8,6
7,9
7,7
11,0
20,5
28,5
32,0
27,5
19,5
13,5
11,0
9,8
buiten (°C)
8,5
7,6
6,9
6,6
8,6
12,3
15,4
17,3
17,9
16,0
12,6
10,3
8,8
a
Bereken het verschil tussen kas en buiten om 4 uur, om 14 uur en om 22 uur.
b
Leg met de begrippen uit dit hoofdstuk uit waarom het verschil om 14 uur zo groot is.
c
Leg uit waarom het verschil om 4 uur zo klein is.
d
Voorspel wat er met de kromme overdag gebeurt als het dakraam vanaf 11 uur openstaat. Leg uit.
16.9
Broeikas: juist of fout?
Toepassen3Begrijpen15 min
Zeg of de uitspraak juist of fout is. Verbeter wat fout is.
a
(a) Een kas wordt vooral warm omdat het glas het infrarood tegenhoudt.
b
(b) Zonder broeikaseffect zou de aarde gemiddeld ongeveer −18 °C zijn.
c
(c) Stikstof en zuurstof zijn de belangrijkste broeikasgassen, omdat er zoveel van in de lucht zit.
d
(d) De atmosfeer werkt als een dak dat de warme lucht opsluit.
e
(e) Broeikasgassen stralen de energie die ze opnemen in alle richtingen weer uit, ook naar de grond.
f
(f) Het broeikaseffect is slecht; hoe minder, hoe beter.
16.10
Isoleren met lucht
Toepassen3Begrijpen15 min
Lucht is een van de beste isolatoren, als ze stilstaat.
a
Waarom is de spouw tussen twee ruiten van dubbel glas ongeveer 1,5 cm, en niet 10 cm?
b
Waarom zet een vogel zijn veren op als het vriest?
c
Een iglo is gemaakt van sneeuw. Hoe kan het binnen een iglo boven nul zijn, als het buiten −20 °C is?
d
Waarom is de kanaalplaat van de meetkas een betere keuze dan een massieve plaat polycarbonaat van 4 mm?
16.11
Het warmteverlies van de meetkas
Toepassen3Rekenen15 min
De platen van de meetkas laten ongeveer 50 kJ per uur door voor elke graad dat de kas warmer is dan buiten. Op een koude nacht in maart is het buiten 2 °C.
a
Hoeveel warmte verliest de kas per uur als ze 6 °C is? En als ze 10 °C is?
b
Hoeveel warmte verliest ze in een nacht van 10 uur als ze gemiddeld 4 °C warmer is dan buiten?
c
Hoeveel liter water moet 5 °C afkoelen om die warmte te leveren?
d
Een klasgenoot stelt voor de kas te verwarmen met een lampje. Waarom is het slimmer om eerst te isoleren?
Hint
Warmte per uur = 50 kJ × temperatuurverschil. Water: 4,2 kJ per liter per °C.
16.12
De koudebrug in het frame
Toepassen3Analyseren15 min
De figuur toont een doorsnede van een wand van de meetkas: twee kanaalplaten op een aluminium kokerprofiel.
De breedte van de rode pijl toont hoeveel warmte erdoor gaat (schematisch).
a
Waarom is de pijl door het aluminium zoveel breder dan de pijlen door de platen?
b
Op welke plaats zie je 's morgens het eerst condens aan de binnenkant? Waarom? (hoofdstuk 6)
c
Stel twee maatregelen voor om de koudebrug te beperken, en zeg bij elke maatregel welke weg van de warmte je afremt.
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
16.13
Habitat: een nachtplan voor de meetkas
Uitdagen4Habitat45 min
In maart wil je in de meetkas sla laten groeien. Sla verdraagt koude nachten, maar niet lang onder 3 °C. Op een heldere nacht wordt het buiten 0 °C. Rekenwaarden: de platen verliezen 50 kJ per uur per graad verschil; een nachtscherm halveert dat; het reservoir (24 L) en extra water koelen 's nachts elk 5 °C af; water: 4,2 kJ per liter per graad; nacht van 12 uur.
a
Hoeveel warmer dan buiten moet de kas gemiddeld blijven? Hoeveel warmte per uur is dan nodig zonder en met nachtscherm?
b
Hoeveel liter water heb je nodig als warmtebuffer, zonder en met nachtscherm?
c
Maak een nachtplan met minstens vier maatregelen. Zeg bij elke maatregel welke weg van de warmte hij afremt, of hoe hij warmte levert.
d
Waar zet je het extra water, en in welke houders, zodat het overdag zoveel mogelijk warmte opneemt?
e
Wat zijn de nadelen van je plan? Wat moet er 's morgens gebeuren?
Zo wordt dit beoordeeld
Berekening
Nodige warmte per uur en volume water correct, met eenheden (150 kJ/h, 75 kJ/h; 86 L, 43 L).
Maatregelen
Minstens vier, elk gekoppeld aan geleiding, stroming, straling of opslag.
Warmtebuffer
Donkere houders in de zon, op de grond, met veel oppervlak; realistische plaats in de kas.
Kritisch
Nadelen (plaats, gewicht, licht, condens) en een ochtendroutine (scherm weg, dakraam open bij zon).
16.14
Onderzoek: een minikas zoals Wood
Uitdagen4Onderzoeken50 min
Onderzoek met glazen potten onder een lamp of in de zon of een 'kas' vooral warm wordt door de opgesloten lucht of door het tegenhouden van infrarood. Huishoudfolie (polyetheen) laat, net als het steenzout van Wood, veel infrarood door; glas houdt het grotendeels tegen.
a
Formuleer een onderzoeksvraag en een hypothese.
b
Ontwerp de proef met drie potten: welke pot krijgt welk deksel? Wat vergelijk je met wat?
c
Welke variabelen hou je gelijk? Noem er minstens vier.
d
Meet en noteer.
t (min)
open pot (°C)
deksel huishoudfolie (°C)
deksel glas (°C)
e
Formuleer een besluit. Wat zegt je proef over de kas, en waarom zegt ze niets over de atmosfeer?
Zo wordt dit beoordeeld
Vraag en hypothese
Toetsbaar, met een voorspelling over de drie potten.
Ontwerp
Open pot (controle), pot met folie (lucht opgesloten, infrarood erdoor), pot met glas (lucht opgesloten, infrarood tegengehouden).
Eerlijk
Zelfde potten, donkere bodem, zelfde plaats en afstand tot de lamp, thermometer op dezelfde hoogte in de schaduw.
Besluit
Folie en glas bijna gelijk en veel warmer dan open: opsluiten van de lucht is het grootste effect; atmosfeer heeft geen deksel.
16.15
Een poolstation zonder verwarming
Uitdagen4Rekenen25 min
Het Belgische poolstation Princess Elisabeth Antarctica heeft geen klassieke verwarming: dikke, goed isolerende wanden houden de warmte van de zon, de bewoners en de toestellen binnen. Stel dat een station per uur 180 kJ warmte verliest voor elke graad dat het binnen warmer is dan buiten. Een mens in rust geeft ongeveer 100 J warmte per seconde af.
a
Hoeveel warmte geeft één bewoner af per uur? En tien bewoners?
b
Hoeveel graden warmer dan buiten kunnen tien bewoners het station houden?
c
Het is buiten −15 °C. Is dat genoeg? Wat komt er in het echt nog bij?
d
Wat gebeurt er met het warmteverlies per graad als je de isolatie twee keer zo goed maakt? En met de binnentemperatuur?
16.16
Maak: de ijsblokjeskluis
Uitdagen4Maken90 min
Wedstrijd: bouw een doos (hooguit 15 cm × 15 cm × 15 cm) die een ijsblokje zo lang mogelijk bewaart. Iedereen krijgt een even groot ijsblokje (gewogen), op hetzelfde moment. Na 3 uur weeg je wat er nog over is. Gebruik alleen gratis of gerecycleerd materiaal.
a
Schets je ontwerp in doorsnede. Duid aan hoe je elke weg van de warmte afremt.
b
Waarom mag de doos de warmte niet 'tegenhouden', maar alleen afremmen? Wat gebeurt er na genoeg tijd altijd?
c
Resultaat: hoeveel gram ijs blijft er over? Hoeveel procent is dat?
d
Vergelijk met de winnaar. Wat zou je verbeteren?
Zo wordt dit beoordeeld
Ontwerp
Doorsnede met materialen; per weg van warmte een maatregel (opgesloten lucht, blinkende laag, goed sluitend deksel).
Eerlijke wedstrijd
Zelfde ijsblokje, zelfde plaats en tijd, wegen voor en na.
Resultaat
Massa en percentage correct berekend.
Reflectie
Verschil met de beste doos verklaard met de drie wegen; concreet verbetervoorstel.
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet
Ik kan het verschil tussen temperatuur, thermische energie en warmte uitleggen met het deeltjesmodel en met voorbeelden.
Ik kan temperaturen omrekenen tussen graden Celsius en kelvin met T=t+273,15, en uitleggen wat het absolute nulpunt is.
Ik kan met de rekenregel 4,2 kJ per liter per graad berekenen hoeveel warmte nodig is om water op te warmen.
Ik kan geleiding, stroming en straling uitleggen en herkennen in voorbeelden.
Ik kan uitleggen waarom stilstaande lucht goed isoleert, en materialen vergelijken met hun warmtegeleiding.
Ik kan uitleggen waarom een kas overdag warm wordt, en hoe het broeikaseffect van de atmosfeer daarvan verschilt.
Ik kan een eerlijke isolatieproef opzetten en een afkoelgrafiek lezen.
Ik kan maatregelen voorstellen om de meetkas 's nachts warm te houden en hun effect schatten.
