Warmtetransport en isolatie
Warmte stroomt altijd van warm naar koud. In deze les zie je hoe warmte zich verplaatst en hoe je de warmtestroom berekent, wat vaak terugkomt bij isolatie.
Warmte gaat op drie manieren van de ene plek naar de andere: geleiding, stroming en straling. Bij geleiding geven deeltjes in een vaste stof energie aan elkaar door. Waar het warm is, trillen de deeltjes harder en botsen ze tegen hun buren. Zo schuift de energie door het materiaal heen.
Bij stroming reist de warmte mee met een vloeistof of gas die zelf beweegt. Warm water stijgt bijvoorbeeld omhoog. Straling heeft geen stof nodig. Warmte gaat dan van een warm oppervlak naar de omgeving, ook door lucht zonder deeltjes zoals de zon naar de aarde.
De warmtestroom P hangt af van vier grootheden: P = λ · A · ΔT / d. Hierin is λ de thermische geleidbaarheid van het materiaal, A de oppervlakte, ΔT het temperatuurverschil en d de dikte van de laag. Een stof met een kleine λ geleidt slecht en isoleert dus goed. Hoe groter A, hoe meer warmte er stroomt. Hoe dikker de laag, hoe kleiner de warmtestroom.
Isolatie verkleint de warmtestroom naar buiten. Daardoor hoeft er minder energie bijgeleverd te worden om de temperatuur op peil te houden. Zo bespaar je energie.
Onthoud
Warmte verplaatst zich door geleiding, stroming of straling.
Bij geleiding geven trillende deeltjes hun energie door aan buurdeeltjes.
Bij straling is geen stof nodig om warmte over te dragen.
Voor de warmtestroom geldt P = λ · A · ΔT / d.
Een dikkere isolatielaag met kleine λ verkleint de warmtestroom.
Voorbeeld uit een echt examen
ex2
Welke vorm van het reservoir heeft het minste energieverlies? Reken eerst de oppervlakte van de bol uit.
- 1
De bol heeft een straal r = 0,124 m. Gebruik A = 4π r².
Veelgemaakte fouten
Leerlingen gebruiken A = 4π r voor de oppervlakte van een bol. Gebruik r² en reken de oppervlakte uit met de juiste eenheid m².
Leerlingen zeggen dat een grotere dikte de warmtestroom vergroot. Onthoud dat een grotere dikte d de warmtestroom juist verkleint, omdat d in de noemer staat.
Snel checken
Warmte verplaatst zich door een luchtledig heen. Welke vorm van warmtetransport is dat?
De dikte d van een isolatielaag wordt verdubbeld. Alle andere grootheden blijven gelijk. Wat gebeurt er met de warmtestroom P?