Warmte

Die warmteverskynsel kan verklaar word aan die hand van die termiese beweging van die deeltjies (molekules, ione, atome) in 'n stof. Warmte is 'n vorm van energie wat in ander energievorme kan oorgaan, soos byvoorbeeld in 'n stoomenjin waarin warmte-energie omgesit word in kinetiese energie. 

Vanaf die Oudheid tot die middel van die 19e eeu is warmte beskou as 'n onsigbare, onvernietigbare stof wat van een liggaam na 'n ander oorgedra kon word. Daaruit sou dit dan voortspruit dat 'n warm liggaam meer "warmtestof" as 'n koue liggaam bevat. Volgens hierdie opvatting sou die deeltjies van 'n warmtestof deur gewone stowwe aangetrek word, terwyl dit mekaar egter afstoot. Daarom stroom 'n warmtestof, volgens die teorie, van 'n warm na ŉ koue liggaam. 

Toe die ontdekking egter gemaak is dat daar nie 'n temperatuurverandering plaasvind wanneer byvoorbeeld kookwater tot stoom verdamp nie, kon dit nie aan die hand van die warmtestofteorie verklaar word nie. Aangesien dit moeilik was om 'n onderskeid tussen warmte en temperatuur te tref, het die warmtestofteorie egter nog die voorkeur geniet bo ander teorieë wat geformuleer is. Die warmte wat by die boor van ŉ kanonloop ontwikkel het, het Benjamin Thomson (graaf Rumford; 1753-1814) op die gedagte gebring dat warmte en arbeid 'n onderlinge verband het. 

Daarom het hy beweer dat die warmte by die boor van die loop onuitputlik was, in teenstelling met die warmtestofteorie, waarvolgens 'n uitputbare hoeveelheid warmtestof van een liggaam na 'n ander oorgedra is. Hy het die voorbeeld van 'n nat spons en 'n klok ter illustrasie gebruik. Die nat spons kon net 'n sekere hoeveelheid water hou (warmtestof), terwyl 'n klok aanhoudend geluid kon voortbring solank dit geslaan word (arbeids- of bewegingsteorie). Die bewegingsteorie is in 1812 verder gevoer deur Humphry Davy (1778 - 1829). Volgens hom was warmte en beweging dieselfde en het die wette vir warmteoordrag ook vir die oorbring van beweging gegeld. 

 Moderne teorie 
Die belangrikste bydraes tot die ontwikkeling van die warmteteorie is gelewer deur Robert Mayer (1814-1878) en James Prescott Joule (1818-1889), wat aangetoon het dat daar 'n vaste verhouding tussen warmte en meganiese arbeid is. 

Hulle het warmte-energie ook met byvoorbeeld elektriese en ander vorme van energie vergelyk. In alle gevalle geld die wet van behoud van energie dus: energie wat op een plek verlore gaan, word weer elders vrygestel. Die omsetting van warmte- tot elektriese energie vind byvoorbeeld in 'n termokoppel plaas. Wanneer die 2 materiale in 'n termokoppel verhit word, word elektrone van die een materiaal na die ander oorgedra en elektrisiteit word ontwikkel. 

By die omsetting van elektriese tot meganiese energie (byvoorbeeld by 'n elektromotor) kom warmte as ŉ neweverskynsel vry. Aangesien die elektromotor egter verkoel moet word, kan die warmte nie nuttig gebruik word nie. Dit word die warmteverlies van die elektromotor genoem.

 Termiese beweging 
duimnael|regs|Hitte-energie word in molekules se interne bewegings gestoor wat hulle 'n interne temperatuur gee.
Alle materie is opgebou uit deeltjies (molekules, atome, ione, elektrone) wat mekaar aantrek of afstoot en voortdurend beweging of trillings veroorsaak. Wanneer warmte tot 'n stof toegevoeg word, het dit verskillende verskynsels tot gevolg. 

Dit lei byvoorbeeld tot die verhoging van die gemiddelde snelheid van die deeltjies in die stof, waardeur die temperatuur dan styg. Die temperatuur is dus bloot 'n maatstaf vir die bewegingsenergie van die deeltjies. Warmteoordrag bring ook mee dat die afstand tussen die deeltjies groter word, waardeur uitsetting plaasvind. Daardeur word die aantrekkingskrag tussen die deeltjies kleiner, terwyl die deeltjies se potensiële energie verhoog word.

 Temperatuurverhoging 
Die hoeveelheid warmte wat nodig is om die temperatuur van 1 kg materie met 1 °C te verhoog, word die soortlike warmte (c) van die stof genoem, en dit word in joule per kilogram per kelvin (J/kgK) uitgedruk. Soortlike warmte is vroeër ook in kalorie uitgedruk. 

Dit is die hoeveelheid warmte wat nodig is om die temperatuur van 1 g water met 1 °C te verhoog en word as volg uitgedruk: Q = c.M.dT, waar Q die toegevoegde warmte, c die soortlike warmte, M die massa en dT die temperatuurverhoging is. Wanneer warmte tot ys toegevoeg word, sal dit by 0 °C begin smelt. Die temperatuur sal egter nie hoer word voordat al die ys gesmelt het nie. Al word meer warmte toegevoeg, sal die ys slegs vinniger smelt. Die molekules neem dus geen bykomende bewegingsenergie op nie en slegs die potensiële energie van die molekules word verhoog. 

Die smeltwarmte is dus die hoeveelheid warmte wat nodig is om 1 kg van 'n stof heeltemal te laat smelt. Dit word latente warmte genoem, wat byvoorbeeld by die stolling van 'n vloeistof weer vrygestel word. Stollende materie moet ook deurlopend afgekoel word, anders word die stolproses gestaak. 

Latente warmte word ook opgeneem by byvoorbeeld die verdamping van water. Die soortlike warmte van water wissel van temperatuur tot temperatuur (by 0 °C is dit byvoorbeeld 4,218 J/ kgK, by 35 °C 4,178 J/kgK en by 100 °C 4,216 J/ kgK). Die verskille hang saam met die verskil in die bindingskragte van molekules by sekere temperature. Vir die verbreking van die kragte word die benodigde warmte dan die latente warmte genoem.

 Warmteoordrag 
Warmteoordrag geskied op 3 maniere, naamlik deur middel van geleiding, stroming (konveksie) en straling. By gasse en vloeistowwe vind warmteoordrag veral deur middel van stroming plaas. Die verwarmde stof sal uitsit, en aangesien die massa daarvan konstant bly, sal die digtheid daarvan afneem (massa = digtheid (of soortlike massa) X volume). Dit bring mee dat die verwarmde stof sal styg en die plek daarvan deur 'n kouer hoeveelheid stof ingeneem sal word.

Die warmteoordrag kan verhoog word deur ŉ gas of 'n vloeistof te roer of te pomp By vaste stowwe vind warmteoordrag veral deur geleiding plaas. Die deeltjies in die stof bots en dra die energie so oor. Geleiding kan egter ook by vloeistowwe 'n rol speel, al is dit swak geleiers van warmte. Vir straling is 'n medium (tussenstof) onnodig aangesien die warmte deur middel van elektromagnetiese golwe oorgedra word. Straling word byvoorbeeld nie deur 'n vakuum beperk nie, terwyl geleiding en stroming wel daardeur gestuit word.

 Kalorimetrie 
Die kalorimeter word dikwels vir die bepaling van warmteverlies of warmteoordrag gebruik, dit wil sê die verhouding tussen die styging in temperatuur en die hoeveelheid warmte wat oorgedra word. Aangesien stowwe dikwels ŉ vaste verhouding tussen temperatuurstyging en warmteoordrag vertoon, word dit die soortlike warmte van die stof genoem. As die soortlike warmte reeds vooraf bekend is, is dit dus slegs nodig om 'n temperatuurstyging te bepaal om vas te stel wat die warmtekapasiteit van die stof is, dit wil sê die hoeveelheid warmte wat nodig is om die temperatuur van die stof met 1 °C te verhoog.

 Bronnelys 
 Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409702, volume 29, bl. 63 - 66

 Eksterne skakels 

Kategorie:Termodinamika
Kategorie:Hitte