Veranderingen in stoffen door verwarming

Wanneer een vaste stof verwarmd wordt, nemen zijn moleculen energie op en trillen sterker. Deze toename van moleculaire beweging maakt dat de vaste stof in alle richtingen iets uitzet. In dit artikel van deze special kijken we naar het natuurkundig proces bij verwarming en afkoeling van vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. We zien tevens dat de meest voorkomende vloeistof op aarde, water, een apart fenomeen is in dit geheel.

Verwarming vaste stoffen

Een stof zet bij verwarming over een klein breukdeel van zijn lengte, breedte en hoogte uit. Dit breukdeel van zijn lengtetoename per graad temperatuurstijging wordt de lineaire uitzettingscoëfficiënt van die stof genoemd. Voor koper bedraagt deze 0,000016, d.w.z. dat een stuk koper bij 100° temperatuurstijging 0,16% langer wordt, en natuurlijk ook zoveel breder en dikker. Voor gewoon glas is de coëfficiënt 0,000009, voor pyrexglas 0,000003, dus 3 x minder.

Metaal
Warmte kan grote invloed hebben op de sterkte van vaste stoffen. Als men een stuk metaal slijpt en polijst en daarna met een geschikt zuur etst, ziet men onder de microscoop hoe het bestaat uit een mozaïek van eigenaardig gevormde kristallen. Als dat metaal gehamerd of gewalst wordt treden vervormingen op tengevolge van inwendige spanningen die het metaal hard en bros maken. Als men daarna het metaal verwarmt en langzaam laat afkoelen, treedt er rekristallisatie op, d.w.z. de kleinere kristallen groeien aan elkaar en het gevolg is een toestand met kleinere of helemaal geen inwendige spanningen meer. Dit proces noemt men ontlating. Door ontlaten wordt een metaal zachter en beter smeedbaar, zodat het gehamerd of gewalst kan worden zonder te scheuren. Bij sommige fabricageprocessen kan het nodig zijn om deze bewerkingen van smeden (verharden) en uitgloeien (ontlaten) meermalen achter elkaar uit te voeren voor het werkstuk gereed is.

Een stalen spoorrails van 16 m. lang wordt ongeveer 22 mm. langer, als hij van 0° tot 100° C verwarmd wordt. Gewoonlijk laat men een opening tussen de raileinden om deze uitzetting mogelijk te maken. Men kan hiervan een levendige indruk krijgen door te letten op het sterkere denderen van de treinwielen in de winter, als de tussenruimten het wijdst zijn, vergeleken met de relatief rustige gang op een warme zomerdag als ze minimaal zijn.

Rubber
Uitgerekt rubber gedraagt zich niet zoals stijvere vaste stoffen bij verwarming. Als een uitgerekte rubberband verwarmd wordt, trekt hij zich samen. Dit effect kan gedemonstreerd worden met een gewicht dat aan een of meer rubberbanden is opgehangen. Als men nu het rubber voorzichtig verwarmt met een kleine vlam, trekt het rubber samen en het gewicht gaat omhoog. Als de vlam weggenomen wordt, koelt het rubber weer af en komt het op zijn oorspronkelijke lengte terug. De verklaring hiervoor is dat de elastische kracht van rubber door verwarming toeneemt. Niet uitgerekt rubber zet net als andere vaste stoffen uit bij verwarming.

Pyrexglas en gebitsvullingen
Pyrexglas kan in een keukenoven verwarmd worden omdat de geringe uitzetting ervan de spanning in het glas niet zo groot maakt dat het barst. Het materiaal dat voor vullingen in tanden en kiezen wordt gebruikt, moet dezelfde uitzettingscoëfficiënt hebben als de tanden en kiezen. Anders zullen de vullingen los gaan zitten als ze in aanraking komen met warm of koud eten of drinken.

Verwarming vloeistoffen

Vloeistoffen zetten gewoonlijk bij verwarming meer uit dan vaste stoffen. Het vloeibare kwik of de alcohol in een thermometer zet meer uit dan de glasbuis waar het in zit. Als dat niet zo was, zou het peil van die vloeistof bij elke temperatuur hetzelfde zijn en de thermometer niet functioneren.

Water
Zoals alle stoffen zet water bij verwarming uit en krimpt het in bij afkoeling. Behalve tussen 0° en 4° C. Als water van 0° tot 4° C verwarmd wordt, zet het niet uit, maar krimpt in! Hierin is water zelfs een unieke vloeistof. Omgekeerd zet water uit bij het naderen van het vriespunt en als het ijs wordt. Dit ijs is soortelijk lichter dan water van 0° C en neemt dus ook een groter volume in. Vandaar het kapotvriezen van waterleidingbuizen. Tegenover dit onaangename gevolg van de abnormale verhoudingen bij het water, dat door oplettendheid te voorkomen is, staat dat ijs blijft drijven op het water van vijvers, plassen, sloten enz., dat iets dichter en minder koud is. Als deze uitzondering op het principe van uitzetting er niet was, zou het ijs naar de bodem zinken. Met het daarna bovenkomende water zou hetzelfde gebeuren, zodat de hele vijver enz. één blok ijs zou worden, wat voor de meeste daar levende plante en dieren de dood zou betekenen.

Verwarming van gas

Als een gas verwarmd wordt, gaan zijn moleculen sneller bewegen en botsen met meer kracht tegen de wanden van het vat. De druk van het gas wordt dus groter. Als dat vat elastisch is, een rubberballon bijvoorbeeld, dan zal het door dit bombardement van moleculen uitzetten. Omgekeerd verliezen de moleculen door afkoeling energie, de druk neemt af en de ballon krimpt in. © 2008 Staal, gepubliceerd in Natuurkunde (Wetenschap) op 01-02-2008. Het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van Staal is vermenigvuldiging van dit artikel verboden. Meer...

Verwante artikelen

• Vaste Stof - Vloeistof - Gas: Weetjes over vaste stoffen, vloeistoffen en gas. Waarom zijn sommige stoffen vast en andere vloeibaar of gasvormig? Wat is water? Waarom kan water koken? Waarom kan water nu eig…
• Vaste stoffen, vloeistoffen en gassen: Elke stof is opgebouwd uit moleculen en atomen. De vertrouwde voorwerpen om ons heen die bestaan uit wat we vaste stoffen noemen, zijn feitelijk niets anders dan verzam…
• Moleculen en atomen: Moleculen zijn de kleinste deeltjes van een stof die nog de eigenschappen van een stof bevatten elke molecuul bestaat uit atomen elke atoom heeft zijn eigen Latijnse naam de eerste lette…
• Moleculen en atomen (de basis): Alles bestaat uit moleculen. Moleculen zijn de bouwstenen van stoffen. In dit artikel wordt de basis van van de molecuul- en atoomtherorie uitgelegd.
• Opgeslagen warmte: natuurkundig verklaard: De in een object opgeslagen warmte springt niet altijd duidelijk in het oog. Een kop vol kokend water voelt heet aan vanwege de hoge temperatuur. Maar het bevat min…