Uitzetting door temperatuursverandering

Vanuit het deeltjesmodel kennen we de manier waarop moleculen continu met elkaar botsen.

In een gas of vloeistof is dit voor te stellen als een ballenbak vol met trillende ballen die steeds meer ruimte willen innemen als ze warmer worden. Maar hoe werkt deze uitzetting precies? Mr. Chadd legt het hier uit en laat zien hoe je er mee rekent.

Elk deeltje heeft een bepaalde temperatuur en één van de gevolgen van deze thermische energie is dat het deeltje gaat bewegen. Doordat er in een materiaal heel veel deeltjes zijn, kunnen ze niet vrij bewegen, maar botsen ze tegen elkaar aan. Hierdoor ontstaat een bepaalde ruimte die elk deeltje nodig heeft voordat het tegen een ander botst. Hoe hoger de temperatuur, hoe harder de deeltjes bewegen en dus hoe meer ruimte ze nodig hebben. Op een enkele uitzondering na geldt dit altijd voor alle stoffen.

Uitzetting van vaste stoffen

In vaste stoffen is er een hele duidelijke structuur. In metalen, bijvoorbeeld, liggen alle atomen netjes geordend op een rij. Als het metaal dan iets warmer wordt, dan wordt de afstand tussen elk atoom net iets groter, en dus wordt de hele rij iets langer. Om aan te duiden hoeveel iets uitzet heeft elke vaste stof een lineaire uitzettingscoëfficiënt α . Dit is een getal dat aangeeft met welke factor iets langer wordt als het 1 Kelvin warmer wordt. Voor staal is dit 0,000012 K ^-1 . De lengteverandering kunnen we dan berekenen met:

L = α L ₀ ΔT

L ₀ is de lengte vóór de temperatuursverandering in meter (m)

ΔT is de temperatuurstijging in Kelvin (K)

α is de lineaire uitzettingscoëfficiënt (K ^-1 )

Zo werkt de app

• Start direct

Uitzetting van gassen

In een gas is er niet een vaste rij van moleculen zoals bij de vaste stoffen. Elke molecuul staat los en vliegt alle kanten op. Hierdoor kunnen we niet spreken over lineaire uitzetting, maar gebruiken we een kubieke uitzettingscoëfficiënt ϒ. Het gaat niet meer over een 1-dimensionale uitzetting, maar het gas zet uit in alle 3 de dimensies, het volume dat het gas in neemt wordt dus groter. Voor een ideaal gas is ϒ = 0,00366 K ^-1 . De formule lijkt op de vorige, maar dan met het volume in plaats van de lengte.

ΔV = ϒ V ₀ ΔT

V ₀ is het volume vóór de temperatuursverandering in kubieke meter (m³)

ΔT is de temperatuurstijging in Kelvin (K)

ϒ is de kubieke uitzettingscoëfficiënt ( K -1 )

Uitzetting van vloeistoffen

Vloeistoffen zijn iets complexer dan gassen en vaste stoffen. De beste benadering is het gebruik van de kubieke uitzettingscoëfficiënt. Bij gassen is dit een constante, maar voor vloeistoffen is die afhankelijk temperatuur. Hoe warmer de stof, hoe groter of kleiner de uitzettingscoëfficiënt kan worden. Een bijzonder geval is water, daar is het volume namelijk het kleinst op 4 graden Celsius. Wordt het iets kouder of warmer dan 4 graden, dan neemt het volume van water toe.

Voorbeeldvragen

1. Een stalen balk met een lengte van 10 meter wordt verwarmd van 700 graden Celsius tot 800 graden Celsius. Hoeveel centimeter is de balk hierdoor groter worden?
2. Een bolvormige gasbel wordt 0,010 m ³ groter doordat deze verwarmd wordt. Het originele volume van deze bol was 40 m ³ . Voor de verwarming was de temperatuur 20 graden Celsius, wat is de temperatuur na de verwarming? Ga uit van een ideaal gas.

Leerlingen die hier vragen over hebben, keken ook naar:

Warmte: wat is dat nou precies?

Atoommodel

Soortelijke warmte: wat is het?