Natuurkunde – Natuurkunde Overal VWO 5
7 Stoffen en materialen
Zuivere stof: bestaat uit één soort molecuul. Een materiaal is een stof of een mengsel van stoffen. Dit
woord gebruik je als een stof wordt gebruikt in een bepaalde toepassing. Drie soorten fase: vast,
vloeibaar en gas.
Belangrijkste eigenschappen van het molecuulmodel:
- Er zit ruimte tussen de moleculen: de intermoleculaire ruimte. Hiermee kan je de
macroscopische en daarmee gemakkelijk meetbare eigenschap dichtheid zo microscopisch
verklaren.
- Moleculen bewegen: hoe hoger de temperatuur hoe groter de snelheid
- Moleculen trekken elkaar aan-> vanderwaalskrachten. Hoe groter de afstand tussen
moleculen hoe kleiner deze krachten
Hiermee kun je eigenschappen van stoffen verklaren.
Micro-macrobeschouwingen: hierbij koppel je eigenschappen van moleculen van de stof (micro),
zoals hun afstand/massa aan meetbare stofeigenschappen (macro), zoals dichtheid.
Vaste stof: kleine ruimte tussen moleculen, grote aantrekkingskracht. Moleculen zitten vast op hun
plek en beweegt om evenwichtsstand heen en weer. Heeft vaste vorm en volume. Hardheid en
onsamendrukbaarheid zijn karakteristiek voor vaste stoffen.
Vloeistof: geen vaste plaats, bewegen kriskras. Kleine aantrekkingskracht. Neemt de vorm aan waarin
het zich bevindt. Moleculen houden elkaar nog wel vast-> wel vast volume geen vaste vorm->
nauwelijks samendrukbaar.
Gas: moleculen ver uit elkaar, nauwelijks aantrekkingskracht.
Geen vaste vorm en geen vast volume-> makkelijk
samendrukbaar.
Dichtheid: ρ=m : V. m: massa in kg en V: volume in m3. Binas 8 t/m
12. Gemiddelde atoommassa: Agem. Het verband tussen dichtheid
en atoommassa is niet in een formule te vatten, maar globaal
geldt: hoe groter de atoommassa, hoe groter de dichtheid.
Hoe warmer een stof hoe meer hij uitzet. Uitzettingcoëfficiënt:
een maat voor hoe sterk een stof relatief uitzet per graad
temperatuurstijging. Binas 8 t/m 10-> lineaire uitzettingcoëfficiënt:
geeft aan hoeveel de lengte (ook breedte en hoogte) van een
voorwerp van dit materiaal relatief toeneemt per graad
temperatuurstijging. Binas 11: kubieke uitzettingscoëfficiënt: de mate waarin het volume relatief per
graad temperatuurstijging toeneemt. Water is bijzonder: krimpt bij opwarming van 0 tot 4 graden->
grootste dichtheid bij 4 graden. IJs heeft een kleinere dichtheid dan water.
Temperatuur is een macroscopisch begrip (je kunt het meten met een meetinstrument waarbij je dus
niet naar de eigenschappen van moleculen hoeft te kijken) en is een maat voor de gemiddelde
kinetische energie van de moleculen. Moleculen hebben kinetische energie als ze gaan bewegen.
Kinetische gastheorie: verband tussen temperatuur en kinetische energie. -> Ludwig Boltzmann
,Absolute nulpunt: bij deze temperatuur staan de moleculen in theorie dus stil. -> Lord Kelvin. Bij 0 K
(-273,15 °C) is de druk die gasmoleculen uitoefenen 0, de kinetische energie is dus 0. De
schaalverdeling bij Celsius en Kelvin is gelijk-> 1/100 e. Tk = Tc + 273,15. De absolute temperatuur is
recht evenredig met de kinetische energie.
Bij het toevoeren van warmte (uitdrukken in Joule) aan een stof neemt de inwendige energie
(verzamelnaam van kinetische en potentiële energie) van die stof toe. Bij temperatuurverhoging
neemt vooral de kinetische energie van de moleculen toe, bij faseovergangen vooral de potentiële
energie (energie bij het leveren van arbeid). Als je een stof opwarmt zet het uit-> moleculen verder
uit elkaar.
Energie die nodig is om stof op te warmen hangt af van 3 dingen:
- Temperatuurtoename
- Massa van de stof
- Soort stof
3 conclusies:
- Toegevoerde warmte is recht evenredig met de temperatuurstijging-> Boltzmann had gelijk
- Hoeveelheid benodigde warmte verschilt per stof
- Stoffen met een grotere dichtheid hebben minder warmte nodig
Soortelijke warmte (c): de hoeveelheid warmte in J die nodig is om 1 kg van een stof 1 K (of °C) te
verhogen. -> te vinden in Binas 8 t/m 12. Eenheid is J/kg ∙ K. Q= c ∙m ∙ ΔT. Q: benodigde warmte in
Joule, c: soortelijke warmte, m: massa in kg, ΔT: temperatuurstijging in Kelvin. De warmte die nodig is
om een hoeveelheid van een stof te smelten of te verdampen vind je met: Q= r smelt ∙ m of Q= rverdamp ∙
m. rsmelt: smeltwarmte in J/kg, rverdamp: verdampingswarmte in J/kg.-> Binas 8 t/m 12. Geen
temperatuurstijgingen in faseovergangen dus geen ΔT.
Globaal geldt: hoe groter de dichtheid van een stof, hoe kleiner de soortelijke warmte, in goede
benadering geldt dat de soortelijke warmte omgekeerd evenredig is met de gemiddelde atoommassa
van die stof. De gemiddelde kinetische energie is recht evenredig met de temperatuur, maar hangt
niet af van de massa van moleculen.
Als je een warm en koud voorwerp tegen elkaar houdt, loopt er een warmtestroom van warm naar
koud voorwerp totdat de temperaturen gelijk zijn. Kinetische energie gaat over van snelle naar
langzame moleculen. De wet van behoud van energie geldt. Bij warmte-uitwisseling geldt: Q op = Qaf.
Qop: de door het koude voorwerp opgenomen warmte in Joule, Q af: de door het warme voorwerp
afgegeven warmte in Joule.
Warmtestroming: warmte verplaatst zich doordat snelle moleculen zich verplaatsen en ze de warmte
met zich meenemen. Vindt alleen plaats tussen vloeistoffen en gassen-> daarin bewegen moleculen
gemakkelijk. Convectie: warmteoverdracht. -> belangrijk voor het weer, zowel water als
luchtstromingen. Warmtestroming kun je tegengaan door af te dichten zodat lucht of vloeistof zich
niet meer kan verplaatsen.
Bij warmtestraling gaan energiepakketjes naar de omgeving-> geen tussenstof voor nodig. Alle
voorwerpen met een temperatuur hoger dan 0 K zenden warmte uit-> temperatuurstraling, maar
warme zenden meer uit dan koude voorwerpen. -> het uitgestraalde vermogen hangt zeer sterk van
de temperatuur af. Met glimmende voorwerpen kun je warmtestraling tegenhouden. Weerkaatsen
naast licht ook andere soorten elektromagnetische straling.
, Bij warmtegeleiding geven atomen of moleculen elkaar door botsing warmte in de vorm van
kinetische energie door. Metaal geleidt goed omdat de geledingselektronen vrij door het metaal
kunnen bewegen en zo dus snel de warmte kunnen doorgeven. Atomen in het warmere deel geven
warmte af aan atomen in het koudere deel. Warmtegeleiding ga je tegen met isolerende materialen-
> alle niet-metalen. Ook lucht geleidt warmte slecht. Meestal bedoel je met isolatie vooral dat je
warmtegeleiding tegengaat door slecht geleidende materialen.
Warmtestroom: de hoeveelheid warmte die zich per seconde verplaatst. -> gaat om energie per
tijdseenheid= Joule per seconde= Watt. Symbool is gelijk aan dat voor vermogen: P. hoe hoger het
nuttige vermogen hoe warmer, hoe lager het nuttige vermogen hoe kouder. Grootte van
warmtestroom hangt af van:
- Temperatuurverschil aan weerszijden van de wand: ΔT= Tbinnen – Tbuiten: de warmtestroom is
recht evenredig met dit temperatuurverschil.
- De totale oppervlakte van de want, dwars op de warmtestroomrichting, A: de warmtestroom
is recht evenredig met deze oppervlakte.
- De dikte van de wand d: hoe dikker de wand, hoe kleiner de warmtestroom: warmtestroom
is omgekeerd evenredig met de dikte.
- Hoe geleidend de stof is waarvan de wand is gemaakt: hoe beter het materiaal warmte
geleidt, hoe groter de warmtestroom.
Warmtegeleidingscoëfficiënt λ: hoeveel warmte per seconde een plaat van een stof doorlaat per
vierkante meter bij een bepaalde dikte en per kelvin temperatuurverschil.
λ x A x ΔT
P= . P: warmtestroom in Watt (J/s), λ: warmtegeleidingscoëfficiënt in watt per vierkante
d
meter per kelvin (W/(m x K), A: oppervlakte in vierkante meter (m 2), ΔT: temperatuurverschil in
kelvin (K), d: dikte in meter (m).
Stoffen die goed warmte geleiden, geleiden ook goed stroom. Dit kun je microscopisch verklaren met
geleidingselektronen, die vrij door metaal kunnen bewegen. Ook kunnen de elektronen kinetische
energie overdragen aan metaalionen in een kouder deel. Stroomgeleidingscoëfficiënt: σ-> staat niet
in Binas. Hangt sterk samen met warmtegeleidingscoëfficiënt, maar zijn niet recht evenredig.
Geleidbaarheid (G):
- Evenredig met de oppervlakte A van de geleider, dwars op stroomrichting
- Omgekeerd evenredig met de afstand die de stroom door de geleider moet afleggen-> lengte
i.p.v. dikte bij warmtegeleiding.
σ∙A
Er geldt: G= . G: geleidbaarheid van een geleider in siemens (A/V), σ:
l
stroomgeleidingscoëfficiënt in siemens per meter (S/m), A: oppervlakte van een geleider dwars op de
stroomrichting in m2, l : afstand die de stroom in de lengterichting door de geleider moet afleggen in
meter.
Analogie: twee formules lijken qua vorm op elkaar. Natuurkundigen gebruiken analogieën om
verschillende theorieën te vergelijken. Wanneer grootheden zich volgens eenzelfde model gedragen,
gelden de formules van dezelfde vorm. Transport van warmte en van lading voldoen aan hetzelfde model:
- Ze zijn recht evenredig met de oppervlakte van de dwarsdoorsnede van de geleider
- Ze zijn omgekeerd evenredig met de afstand (l bij elektrische stroom en d bij warmtestroom)
