Hoofdstuk 7 – Stoffen en materialen
§7.1 – Fasen en dichtheid
Fasen en faseovergangen
Stoffen komen voor als vaste stof, vloeistof of gas en kunnen veranderen van
fase (faseovergangen).
Vast → Vloeibaar = smelten omgekeerd = stollen
Vloeibaar → gas = verdampen omgekeerd = condenseren
Vast → gas = sublimeren omgekeerd = rijpen
Het deeltjesmodel
Een molecuul is het kleinste deel van een stof dat nog dezelfde eigenschappen heeft. Het is
opgebouwd uit atomen. Het deeltjesmodel gaat uit van moleculen, de eigenschappen zijn:
1) Er is een intermoleculaire ruimte
2) De deeltjes hebben een snelheid (afhankelijk van de temperatuur)
3) Deeltjes hebben een aantrekkingskracht tot elkaar → vanderwaalskracht
Enkele toepassingen van het molecuulmodel
Vaste stof: Moleculen zitten dicht op elkaar en trillen op hun plaats.
Vloeistof: Moleculen zitten dicht op elkaar en kunnen om elkaar bewegen.
Gas: Moleculen zitten ver van elkaar af en kunnen los van elkaar bewegen. (vdw-kracht weg)
Bij het verhogen van de temperatuur zullen de deeltjes sneller trillen en zullen ze verder van
elkaar af komen te liggen. Stoffen zetten dus uit en hebben een unieke waarde voor de
lineaire uitzettingscoëfficiënt of kubieke uitzettingscoëfficiënt (bij gassen en vloeistoffen).
De meeste stofeigenschappen kun je beschrijven op microscopische schaal en vervolgens
verklaren op macroscopische schaal.
Dichtheid
De dichtheid is een unieke stofeigenschap met als eenheid kg/m³: ⍴=m÷V
, §7.2 – Warmte en temperatuur
Temperatuur
Temperatuur speelt een rol bij faseovergangen. Hoe hoger de temperatuur, hoe harder de
deeltjes trillen en hoe hoger de kinetische energie van de deeltjes. Dus zwaardere moleculen
hebben bij dezelfde temperatuur een lagere kinetische energie en dus een gemiddeld lagere
snelheid.
Absolute temperatuur
Temperatuur hangt samen met de gemiddelde kinetische energie van de moleculen. Als
moleculen een kinetische energie van 0 hebben, staan ze in theorie stil. Dit heet het absolute
nulpunt en is bij -273,15°C.
In de absolute temperatuurschaal is deze temperatuur gelijk aan 0 K (Kelvin). Een verschil
van 1°C is gelijk aan een verschil van 1 K. Dus er geldt:
Tkelvin = Tcelcius + 273,15
Warmte en inwendige energie
De energie van temperatuur noem je warmte, het symbool ervan is Q. De eenheid is Joule (J).
Als je een stof opwarmt, zal het uitzetten. De kinetische energie neemt toe, maar ook de
potentiële energie. Het zwaartepunt stijgt namelijk bij uitzetting mee. De energieomzetting is
dus:
Q → Ek + Ez
De som van de kinetische en potentiële energie is de inwendige energie van een stof.
Tijdens een faseovergang blijft de temperatuur gelijk, dus
ΔEk = 0. De afstand tussen de moleculen neemt wel toe. De
potentiële energie van de moleculen neemt dus toe.
Warmte en temperatuurgeleiding
De energie die je nodig hebt om een stof op te warmen hangt af
van:
1) Temperatuurtoename
2) Massa van de stof
3) Soort stof
Zo heeft de ene stof (water) meer energie nodig om een graad op te
warmen dan de andere stof (lood). Ook geldt: Q ∝ ΔT.
, Soortelijke warmte, smeltwarmte en verdampingswarmte
Iedere stof heeft dus een eigen waarde voor hoeveel energie het nodig heeft om per kg een
graad op te warmen. Dit heet de soortelijke warmte (c) en heeft als eenheid J kg⁻¹ K⁻¹.
De benodigde warmte die nodig is bereken je zo:
Q = c × m × ΔT
Q = benodigde warmte in joule (J)
c = soortelijke warmte in joule per kilogram per kelvin (J kg⁻¹ K⁻¹)
m = massa in kilogram (kg)
ΔT = temperatuursverandering in kelvin (K)
De warmte die nodig is om een stof te laten smelten of verdampen kun je ook berekenen. Dit
verschilt ook per stof:
Q = rs × m
Q = rv × m
Q = benodigde warmte in joule (J)
m = massa in kilogram (kg)
rs = smeltwarmte in joule per kilogram (J kg⁻¹)
rv = verdampingswarmte in joule per kilogram (J kg⁻¹)
Soortelijke warmte en dichtheid bij metalen
Hoe groter de dichtheid van een metaal, hoe minder atomen per kg. Een
metaal met een grote atoommassa zal dus minder energie nodig hebben
om op te warmen en heeft dus een kleinere soortelijke warmte.
Een metaal met een kleine dichtheid heeft veel atomen per kg. Een metaal
met een kleine atoommassa zal dus meer energie nodig hebben om op te
warmen en heeft dus een grotere soortelijke warmte.
§7.1 – Fasen en dichtheid
Fasen en faseovergangen
Stoffen komen voor als vaste stof, vloeistof of gas en kunnen veranderen van
fase (faseovergangen).
Vast → Vloeibaar = smelten omgekeerd = stollen
Vloeibaar → gas = verdampen omgekeerd = condenseren
Vast → gas = sublimeren omgekeerd = rijpen
Het deeltjesmodel
Een molecuul is het kleinste deel van een stof dat nog dezelfde eigenschappen heeft. Het is
opgebouwd uit atomen. Het deeltjesmodel gaat uit van moleculen, de eigenschappen zijn:
1) Er is een intermoleculaire ruimte
2) De deeltjes hebben een snelheid (afhankelijk van de temperatuur)
3) Deeltjes hebben een aantrekkingskracht tot elkaar → vanderwaalskracht
Enkele toepassingen van het molecuulmodel
Vaste stof: Moleculen zitten dicht op elkaar en trillen op hun plaats.
Vloeistof: Moleculen zitten dicht op elkaar en kunnen om elkaar bewegen.
Gas: Moleculen zitten ver van elkaar af en kunnen los van elkaar bewegen. (vdw-kracht weg)
Bij het verhogen van de temperatuur zullen de deeltjes sneller trillen en zullen ze verder van
elkaar af komen te liggen. Stoffen zetten dus uit en hebben een unieke waarde voor de
lineaire uitzettingscoëfficiënt of kubieke uitzettingscoëfficiënt (bij gassen en vloeistoffen).
De meeste stofeigenschappen kun je beschrijven op microscopische schaal en vervolgens
verklaren op macroscopische schaal.
Dichtheid
De dichtheid is een unieke stofeigenschap met als eenheid kg/m³: ⍴=m÷V
, §7.2 – Warmte en temperatuur
Temperatuur
Temperatuur speelt een rol bij faseovergangen. Hoe hoger de temperatuur, hoe harder de
deeltjes trillen en hoe hoger de kinetische energie van de deeltjes. Dus zwaardere moleculen
hebben bij dezelfde temperatuur een lagere kinetische energie en dus een gemiddeld lagere
snelheid.
Absolute temperatuur
Temperatuur hangt samen met de gemiddelde kinetische energie van de moleculen. Als
moleculen een kinetische energie van 0 hebben, staan ze in theorie stil. Dit heet het absolute
nulpunt en is bij -273,15°C.
In de absolute temperatuurschaal is deze temperatuur gelijk aan 0 K (Kelvin). Een verschil
van 1°C is gelijk aan een verschil van 1 K. Dus er geldt:
Tkelvin = Tcelcius + 273,15
Warmte en inwendige energie
De energie van temperatuur noem je warmte, het symbool ervan is Q. De eenheid is Joule (J).
Als je een stof opwarmt, zal het uitzetten. De kinetische energie neemt toe, maar ook de
potentiële energie. Het zwaartepunt stijgt namelijk bij uitzetting mee. De energieomzetting is
dus:
Q → Ek + Ez
De som van de kinetische en potentiële energie is de inwendige energie van een stof.
Tijdens een faseovergang blijft de temperatuur gelijk, dus
ΔEk = 0. De afstand tussen de moleculen neemt wel toe. De
potentiële energie van de moleculen neemt dus toe.
Warmte en temperatuurgeleiding
De energie die je nodig hebt om een stof op te warmen hangt af
van:
1) Temperatuurtoename
2) Massa van de stof
3) Soort stof
Zo heeft de ene stof (water) meer energie nodig om een graad op te
warmen dan de andere stof (lood). Ook geldt: Q ∝ ΔT.
, Soortelijke warmte, smeltwarmte en verdampingswarmte
Iedere stof heeft dus een eigen waarde voor hoeveel energie het nodig heeft om per kg een
graad op te warmen. Dit heet de soortelijke warmte (c) en heeft als eenheid J kg⁻¹ K⁻¹.
De benodigde warmte die nodig is bereken je zo:
Q = c × m × ΔT
Q = benodigde warmte in joule (J)
c = soortelijke warmte in joule per kilogram per kelvin (J kg⁻¹ K⁻¹)
m = massa in kilogram (kg)
ΔT = temperatuursverandering in kelvin (K)
De warmte die nodig is om een stof te laten smelten of verdampen kun je ook berekenen. Dit
verschilt ook per stof:
Q = rs × m
Q = rv × m
Q = benodigde warmte in joule (J)
m = massa in kilogram (kg)
rs = smeltwarmte in joule per kilogram (J kg⁻¹)
rv = verdampingswarmte in joule per kilogram (J kg⁻¹)
Soortelijke warmte en dichtheid bij metalen
Hoe groter de dichtheid van een metaal, hoe minder atomen per kg. Een
metaal met een grote atoommassa zal dus minder energie nodig hebben
om op te warmen en heeft dus een kleinere soortelijke warmte.
Een metaal met een kleine dichtheid heeft veel atomen per kg. Een metaal
met een kleine atoommassa zal dus meer energie nodig hebben om op te
warmen en heeft dus een grotere soortelijke warmte.
