Warmteleer en transport

Warmteleer en transport

Warmteleer

De komende lessen ga je je bezig houden met warmteleer en warmtetransport. Vanzelf kom je dan ook in aanraking met warmteverlies en het tegengaan ervan.

De inhoud bestaat uit:

  1. Warmteleer 
  2. Verbranding
  3. Warmtetransport (+demo)
  4. Isolatie (+demo)
  5. Bereken de warmteoverdracht

Ben je eerder klaar, verdiep je dan in de "Berekening van de U-waarde".

Temperatuur

Om aan te geven hoe warm het buiten is, gebruik je de temperatuur. De temperatuur meet je met een thermometer.

Temperatuur wordt vaak gemeten in graden Celsius (˚C).
De temperatuur van smeltend ijs is 0˚C (graden Celsius) en die van kokend water is 100˚C.
 
Een bekende thermometer is de vloeistofthermometer.
Een vloeistofthermometer betsaat uit een vloeistofreservoir gevuld met een gekleurde vloeistof, een dunne glazen buis (het capillair) en een schaalverdeling.
Een vloeistofthermometer maakt gebruik van het principe dat als de temeratuur stijgt een vloeistof uitzet. Als de temperatuur stijgt, zet de vloeistof in het reservoir uit en stijgt de vloeistof in het capillair.
 
Hoe maken ze een thermometer?
Reservoir in het ijs zetten, de hoogte van de vloeistof geeft 0˚ C aan (ijkpunt 1). Reservoir in kokend water hangen en dan geeft de hoogte van de vloeistof 100˚C aan (ijkpunt 2). De ruimte tussen de 0 en 100 verdeel je in 100 gelijke delen. Klaar.
 
 

Temperatuurschaal van Fahrenheit

Op het plaatje zie je naast ˚C ook ˚F. De F van Fahrenheit, een andere temperatuuschaal, veelgebruikt in de Verenigde Staten.

De Fahrenheitschaal heeft eveneens als ijkpunten de temperatuur van smeltend ijs (maar dan 32 in plaats van 0) en de damp van kokend water (212 in plaats van 100).
De ruimte hiertussen wordt in 180 gelijke delen ingedeeld.
 
Met deze formule kun je temperaturen omrekenen:  T˚F = 1,8 · T˚C + 32

 

Temperatuurschaal van Kelvin

Temperatuurschaal van Kelvin
De temperatuur van een stof heeft invloed op de snelheid waarmee moleculen in een stof bewegen.
Als de temperatuur daalt, neemt de bewegingssnelheid van de moleculen af. Als de temperatuur laag genoeg is, zullen uiteindelijk alle moleculen stil staan. Deze temperatuur wordt het absolute nulpunt genoemd en ligt bij -273˚C.
 
De temperatuurschaal van Kelvin begint bij het absolute nulpunt. Er geldt 0 K = -273˚C.
Kelvin kent dus geen negatieve temperaturen. Verder is de schaalverdeling bij Kelvin gelijk aan de schaalverdeling bij Celsius, er geldt:
 
temperatuur K = temperatuur ˚C + 273
 
De temperatuur van smeltend ijs is 273 K.
De temperatuur van kokend water is 373 K.

Bimetaalthermometer

 

Een bimetaal-thermometer werkt met twee metalen die op elkaar worden geplakt, zoals in de tekening hiernaast. Dat noem je dan een bimetaal.

Als de temperatuur stijgt, zet het ene metaal sterker uit dan het andere. Daardoor trekt het bimetaal krom.

Aan het bimetaal kun je een wijzer bevestigen. Op de foto hiernaast zie je de binnenkant van de thermometer hieronder: hij werkt met een bimetaal !

Verbranding en lineaire uitzetting

Verbranding

Verbranding is een scheikundige reactie van een brandstof met zuurstof. 

De ontbrandingstemperatuur van een brandstof is de laagste temperatuur waarbij een stof in brand vliegt.

 

Brandstoffen kun je onderdverdelen in:

  • fossiele brandstoffen

​          als aardgas, aardolie, benzine en steenkool

  • niet-fossiele brandstoffen

​          als hout, papier en biomassa​ 

 

Bij een verbranding komt warmte vrij.

Warmte is een vorm van energie.

Volledige verbranding

Onvolledige verbranding

Verbranding in je lichaam

Ook in je lichaam vindt verbranding plaats.

In je lichaam worden voedingsstoffen omgezet in energie. Energie die benut wordt voor het leveren van arbeid en kracht, voor het op temperatuur houden van je lichaam of voor het groeien. 

Hou je energie over? Geen probleem, dat wordt opgeslagen in de vorm van vet.

 

Tussentoets

Toets:Tussentoets Verbranding

Lineaire uitzetting

Staal zet uit bij warmte. Hoeveel hoger is de Eiffeltoren in de zomer ten opzichte van hartje winter?
 
In je tabelenboek (tabel 11.5 en 16.2) vind je uitzettingscoëfficiënt \alpha voor verschillende materialen.
 
Wat betekent dat? Wikipedia:
 
De eenheid van \alpha is per graad temperatuurstijging. De lineaire uitzettingscoëfficiënt \alpha geeft aan hoeveel een materiaal uitzet bij een temperatuurstijging van 1 (Kelvin of ˚C).
 

Voor metaal staat in tabel 16.2:  12 x 10-6. Wat is 10-6?

Machten
103  = 10 . 10 . 10  = 1.000 meter 
102  = 10 . 10 = 100 meter
101  = 10 meter
100  = 1 meter (telkens delen door 10!)
10-1 = 1/10 meter = 1 decimeter
10-2 = 1/(10.10) meter = 1 centimeter
enz. enz... 10-6 noemen we 1 micrometer,  1 miljoen micrometer = 1 meter.
 

De eifeltoren is 317 meter hoog, dus wordt hij (12 . 10-6 . 317) 3804 micrometer groter bij elke graad temperatuurstijging (0,003804 meter).

Zeg dat er ongeveer 30 graden verschil in zomer- en wintertemperatuur is, dan wordt het lengteverschil (30x3804) 114.120 micrometer. Dat lijkt veel, maar dat is gelijk aan 0,11 meter oftewel 11 cm.

Opdracht 1

Nieuwe spoorbrug gezien vanaf de IJssel, kijkende richting het oosten (stroomopwaarts). Rechts Gelderland, links Overijssel.

Een dilatatievoeg is een voeg die als functie heeft het uitzetten en krimpen van materialen, ook wel werking genoemd, op te vangen. Zo wordt voorkomen dat materialen scheuren door deze geïntroduceerde spanningen.

 

Dilatatievoeg in een brug, om
schade te voorkomen bij thermische
uitzetting. Metalen hebben over
het algemeen een hoge uitzettings-
coëfficiënt.

Een veel voorkomende oorzaak van het krimpen en uitzetten van materiaal is het verschil tussen zomerhitte en winterkou. De Hanzeboog (een spoorbrug over de IJssel bij Zwolle) is gebouwd met één vast punt op de linkeroever. Hij bestaat uit een ongeveer 1 kilometer lang stalen frame. Aan de Zwolse kant van de brug bevindt zich een dilatatievoeg, ook wel compensatieinrichting genoemd. Deze overbrugt een lengteverschil van bijna....

Bereken hoe groot deze voeg zijn moet.

Ga uit van -10˚C in een koude nacht en 35˚C tijdens de warmste dag.

Lever je uitwerking in via Blackboard.

 

Extra vraag: heeft het invloed als de brug vol in de zon staat? 

Warmtetransport

Warmte verplaatst zich van de ene plaats naar een andere plaats als er tussen de twee plaatsen sprake is van een temperatuurverschil. Warmtetransport gaat van een plaats met een hogere temperatuur naar een plaats met een lagere temperatuur.

Warmteoverdracht kan op drie manieren plaatsvinden:

  • door geleiding,
  • door stroming en
  • door straling.

Metalen en alliages (mengsels van metalen) geleiden warmte goed: de warmte wordt langzaam door het voorwerp verspreidt. De meeste andere vaste stoffen en vloeistoffen zijn slechte warmtegeleiders, gassen zijn zelfs zeer slechte warmtegeleiders. 

Stoffen die slecht warmte geleiden zijn juist goede warmte-isolatoren. 

Bekijk dit filmpje....

Warmtegeleiding

Bij warmtetransport door geleiding (ook wel conductie genoemd) verplaatst de warmte zich door de stof heen. De warmte wordt door de moleculen van de stof aan elkaar doorgegeven.

Conductie vindt vooral plaats via de fundering en het skelet van een gebouw.

Een stof die de warmte niet goed geleid, noem je een isolator. Plastic en hout zijn voorbeelden van isolatoren.

 
 
De warmtegeleiding van elk bouwmateriaal wordt uitgedrukt in W/mK.
Hoe lager de warmtegeleiding van een materiaal, des te beter de isolatie-eigenschappen. 
 

Materiaal

Warmtegeleiding, W/mK
Koper
Aluminium
Staal
Water
Haar
Hout
Steenwol
Lucht
372
204
52
0.613
0.35 (afhankelijk van o.a. dikte)
0.08–0.30
0.036
0.0263
Tabel: Warmtegeleiding van geselecteerde materialen bij kamertemperatuur / 11.6 uit TB 

Warmtestroming

Gassen en vloeistoffen geleiden dan wel slecht warmte, maar ze kunnen wel door stroming warmte verplaatsen. Als vloeistoffen/gassen verwarmd worden, zetten ze uit waardoor de dichtheid kleiner wordt. Daardoor stijgen ze op, waarna ze weer afkoelen en weer dalen. Hierdoor krijg je een circulatie.

Warmtestroming door een gas zie je bij de verwarming van een woning. Lucht wordt verwarmd door de radiator, zet daardoor uit, wordt lichter en stijgt op. Dit zuigt meteen de lucht vanaf de vloer aan en veroorzaakt zo circulatie.

Bekijk dit filmpje waarin stroming gedemonstreerd wordt.

 
Bekijk het volgende filmpje als je nog wat proefjes zien wilt.

 

Warmtestraling

De bekendste bron van straling...

Elk voorwerp zendt straling uit: hoe hoger het temperatuurverschil tussen voorwerp en omgeving, des te meer straling het voorwerp uitzendt.
Als straling op een voorwerp valt wordt de straling omgezet in kinetische energie: de moleculen gaan sneller trillen. Hierdoor stijgt de temperatuur en zet het voorwerp uit.

Bij de centrale verwarming wordt van zowel stroming als straling gebruik gemaakt. Bij de verbranding van gas komt
straling vrij die zijn energie aan het water afgeeft. Dit water stroomt naar de radiatoren, die de warmte weer
uitstralen. Door deze verwarming ontstaat er in de ruimte waar de radiator zicht bevindt automatisch weer
circulatie. Luchtstroming. 

Alles begrepen?

Tussentoets

Toets:Tussentoets Warmtetransport

Isolatie

Isolatie

Onder na-isolatie wordt het isoleren van
bestaande gebouwen verstaan. 

Een stof die warmte niet goed geleid of doorgeeft noem je een warmte-isolator. Voorbeelden van goede warmte-isolatoren zijn plastic, hout, textiel, steenwol en stilstaande lucht.

Een goede isolatie is belangrijk om je huis goed(koop) warm te houden. Voorbeelden van isolatiemaatregelen zijn:

  • spouwmuurisolatie
  • isolatieglas
  • radiatorfolie.

Wamte-isolatie werkt twee kanten op. In de winter houd je de warmte langer binnen en in de zomer hou je de warmte langer buiten.

 

Spouwmuur

Isolatieglas

Radiatorfolie

Tussentoets

Bereken de warmteoverdracht

Warmteverlies

Kleiner of groter

Warmteoverdracht - berekening

Voor de warmteoverdracht (Q) geldt de volgende formule (schrijf hem erbij op blz. 218 van je tabellenboek):

 

                      \(Q = {A \times t \times ∆T \times U}\)

 
Q in Joule (J)
A in m2
t in seconden

∆T in ˚C

U in W/m2K, of in woorden: hoeveel warmte verdwijnt er... 
  • per seconde
  • door een oppervlak van 1 m2 
  • bij een temperatuurverschil van 1 oC?   

Dat is de U-waarde.

 

 

Tussentoets

Diagnostische toets

Tabellenboek

Uit het tabellenboek kun je de volgende tabellen gebruiken:

2.3.3    26  Verbrandingswarmte

11.05  222  Linaire uitzettingscoëfficiënten van materialen

11.06  223  Warmtegeleidingscoëfficiënt

11.10  228  Warmtedoorgangscoëfficiënt van beglazing

Er zijn er vast nog meer. Blader je boek eens door, vanaf bladzijde 217, bouwfysica.

Berekening van de U-waarde - Extra stof!

Je hebt net berekeningen gemaakt met de U-waarde, de warmtedoorgangscoëfficiënt.

Deze valt ook weer te berekenen.

\(U = {1 \over {R_c}}\)

De doorgang U is namelijk het omgekeerde van de weerstand R tegen die doorgang.

Rc = de totale thermische weerstand van een constructie (c), de som van de overgangs- (RS1 en RS2) en materiaallaagweerstanden (Rm).

Rc = RS1 + Rm + RS2

Voorbeeld: Een glasruit van 5 mm dikte heeft een oppervlakte van 3 m2. De kamertemperatuur is 19˚C, de
                   buitentemperatuur bedraagt -3˚C. Bereken het warmteverlies per uur in MJ.

 

Oplossing: Eerst moeten we de warmtedoorgangscoëfficiënt berekenen.
                  Rc = RS1 + Rm + RS2 (in tabel 11.1 op blz. 217 zie je dat RS1 = warmteovergang binnenzijde,  
                                                 Rm =warmteovergang materiaal en RS2 = warmteovergang buitenzijde.)
 
                  \(R_{S1} = {1 \over \alpha}\)   \(R_{S2} = {1 \over \alpha}\)  \(R_{m} = {d \over \lambda}\)
 

                 

                  RS1 = 1/5 (5 is het gemiddelde van 2 en 8)

                        RS2= 1/5 (55 is het gemiddelde van 10 en 100)

                  Rm = 0,005 / 0,8 (zie tabel 11.6, 4e regel van onder)

                 Rc = 1/5 + 0,005/0,8 + 1/55 = 0,22443... m2K/W

                 \(U = {1 \over {R_c}} = {1 \over {0,22443...}} = 4,45573...\)

                  Q = A . t . ∆T . U = 3 . 3600 . (19 - -3) . 4,45573.. =  3 . 3600 . 22 . 4,45573... = 1.058.673 J = 1,059 MJ.

 

Opdracht

Zoek deze website op en bestudeer de isolatiecalculator.

http://www.dicks-website.eu/isolatie/calculator.html

Werkt hij goed? Zou je hem gebruiken in de praktijk?

  • Het arrangement Warmteleer en transport is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    Bart Nijland
    Laatst gewijzigd
    2016-12-16 10:47:08
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding 3.0 Nederland licentie.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    tbv College Bouwkunde & Interieur, Bouwkunde
    Leerniveau
    MBO, Niveau 3: Vakopleiding; Volwasseneneducatie, Niveau 4; MBO, Niveau 4: Middenkaderopleiding;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Studiebelasting
    6 uur 0 minuten
    Trefwoorden
    warmteoverdracht isolatie warmteverlies

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    Oefeningen en toetsen

    Tussentoets Verbranding

    Tussentoets Warmtetransport

    Tussentoets Isolatie

    Oefenstof

    Diagnostische toets

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    QTI

    Oefeningen en toetsen van dit arrangement kun je ook downloaden als QTI. Dit bestaat uit een ZIP bestand dat alle informatie bevat over de specifieke oefening of toets; volgorde van de vragen, afbeeldingen, te behalen punten, etc. Omgevingen met een QTI player kunnen QTI afspelen.

    Versie 2.1 (NL)

    Versie 3.0 bèta

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van