​​​​​​​Proef 2M 2.2 Soortelijke warmte van water, kwalitatief

8 september

Doel van de proef: de leerlingen weten dat de temperatuurstijging van water dat elektrisch verwarmd wordt, afhangt van

  1. de hoeveelheid water (massa) die wordt verwarmd;
  2. de hoeveelheid warmte die wordt toegevoerd. En dat die hoeveelheid afhangt van
    (a) de tijd dat de waterkoker aan staat en
    (b) het elektrisch vermogen van de waterkoker.

En dat de temperatuurstijging niet afhangt van de begintemperatuur van het water, zolang er maar geen warmte naar de omgeving ‘ontsnapt’.

Benodigdheden:

  • Waterkoker (zo mogelijk twee waterkokers met verschillend vermogen)
  • Thermometer
  • Maatcilinder
  • Stopwatch (bijvoorbeeld op mobiele telefoon)

Voorkennis:

de leerlingen weten dat warmte een vorm van energie is. Ze kennen het verschil tussen warmte (eenheid joule) en temperatuur (eenheid graad Celsius). Ze kunnen ook het begrip massa gebruiken. Verder weten ze dat in een waterkoker elektrische energie wordt omgezet in warmte.

Uitvoering:

begin met een probleemstelling, bijvoorbeeld: ik wil met (een van) deze waterkoker(s) water verwarmen maar daarvoor zo weinig mogelijk elektriciteit/elektrische energie gebruiken. Want dat is het goedkoopst. Wat zou ik dan moeten doen? Loop met de klas de mogelijkheden na met de voor- en nadelen ervan: de temperatuurverhoging beperkt houden; weinig of veel water nemen; geen warmte laten ontsnappen; een waterkoker nemen die snel of langzaam opwarmt.

Vul de waterkoker van met bijvoorbeeld 300 mL water en meet de begintemperatuur. Zet hem bijvoorbeeld 30 s. aan. Wacht daarna even tot het verwarmingselement al zijn warmte heeft afgegeven en meet de nieuwe temperatuur van het water. Bereken de temperatuurverhoging. Vraag aan de klas hoeveel de temperatuur omhoog zal gaan als je hem nog eens 30 s. aanzet (dus als je nog eens dezelfde hoeveelheid warmte toevoegt). Herhaal de het verwarmen enkele malen en meet de nieuwe temperatuurverhoging. Zo kom je tot de regel: gelijke hoeveelheid warmte toegevoegd, gelijke temperatuurstijging, onafhankelijk van de begintemperatuur.

Uitbreiding van de proef: zet de metingen in een (temperatuur, tijd) tabel en maak er een grafiek bij.

Is er een tweede waterkoker met een ander vermogen, doe de proef dan ook met die waterkoker om te laten zien: hoe groter het vermogen, hoe groter de temperatuurstijging.

Ga vervolgens de hoeveelheid water variëren, waarbij steeds dezelfde hoeveelheid warmte wordt toegevoerd (waterkoker bijv. steeds een minuut aanzetten).  Zo kom je tot de regel: hoe meer water hoe kleiner de temperatuurstijging, bij dezelfde warmtetoevoer.

Trek vervolgens de conclusie: de temperatuurstijging hangt af van de hoeveelheid water en van de hoeveelheid warmte die wordt toegevoerd (dus van de tijd en het vermogen).

Als het vermogen van de waterkoker(s) bekend is (en de leerlingen weten wat elektrisch vermogen is), kan de soortelijke warmte uit de metingen berekend worden. De uitkomst ervan zal onder de bekende 4,2 J/g.oC liggen, vanwege warmteverliezen en het opwarmen van de waterkoker zelf (de warmtecapaciteit van de waterkoker).

Zie voor een uitleg op YouTube https://m.youtube.com/watch?v=C40Po-3d70M . NB bij deze uitleg wordt het begrip vermogen gebruikt.

Leswerk