Door Lee Johnson — Bijgewerkt op 30 augustus 2022

Berekeningen van warmteoverdracht zijn een belangrijk onderdeel van de natuurkunde en techniek. Om te weten hoe lang het duurt om de temperatuur van een object met een bepaalde hoeveelheid te verhogen, zijn slechts een paar belangrijke gegevens nodig:de specifieke warmtecapaciteit van het materiaal, de massa, de gewenste temperatuurverandering en de kracht van de warmtebron. Hieronder doorlopen we de stappen met water en lood als illustratieve voorbeelden.

TL;DR

Bereken eerst de benodigde warmte-energie:Q =mcΔT , waarbij m is massa, c is soortelijke warmtecapaciteit, en ΔT is de temperatuurverandering. Bepaal vervolgens de verwarmingstijd:t =Q ÷ P , met P het vermogen in watt.

1. Bepaal de temperatuurverandering (ΔT)

De temperatuurverandering is eenvoudigweg het verschil tussen de eind- en begintemperatuur:

ΔT =T_final – T_initial

Het verwarmen van een stof van 10°C naar 50°C levert bijvoorbeeld ΔT=40°C op. Omdat een verandering van 1°C gelijk staat aan een verandering van 1K, kunt u in beide eenheden werken.

2. Zoek de specifieke warmtecapaciteit op (c)

Elk materiaal heeft een karakteristieke specifieke warmtecapaciteit die aangeeft hoeveel energie er nodig is om 1 kg van dat materiaal 1 K te laten stijgen. Algemene waarden (Jkg⁻¹K⁻¹) zijn onder meer:

• Alcohol (drinken)=2.400
• Aluminium=900
• Bismuth=123
• Messing=380
• Koper=386
• IJs (–10°C)=2050
• Glas=840
• Goud=126
• Graniet=790
• Lead=128
• Kwik=140
• Zilver=233
• wolfraam=134
• Water=4.186
• Zink=387

Voor deze tutorial gebruiken we water (c=4.186Jkg⁻¹K⁻¹) en lood (c=128Jkg⁻¹K⁻¹).

3. Bereken de benodigde warmte (Q)

Met m in kilogram, c in Jkg⁻¹K⁻¹, en ΔT in K is de warmte-energie:

Q =mcΔT

Watervoorbeeld:1kg × 4.186Jkg⁻¹K⁻¹ × 40K =167.440J =167,44kJ.

Loodvoorbeeld:10kg × 128Jkg⁻¹K⁻¹ × 40K =51.200J =51,2kJ.

Merk op dat, omdat de soortelijke warmte van lood lager is, er minder energie nodig is om de temperatuur met dezelfde hoeveelheid te verhogen.

4. Bepaal de verwarmingstijd (t)

Vermogen (P) is de snelheid van de energieafgifte (1W=1Js⁻¹). De opwarmtijd volgt uit:

t =Q ÷ P

Gebruik een waterkoker van 2 kW (2.000 W) voor het water:

t =167.440J ÷ 2.000Js⁻¹ ≈ 83,7s.

Voor het loden blok van 10 kg met hetzelfde vermogen:

t =51.200J ÷ 2.000Js⁻¹ ≈ 25,6s.

Lood warmt sneller op vanwege de lagere soortelijke warmtecapaciteit.

Met deze eenvoudige formules kunt u de verwarmingstijden voor elk materiaal voorspellen. Voer gewoon de juiste waarden in.