"Elk deeltje materie is een heelal, elk blad een wereld, elke insect een onverklaarbaar handboek." -Johann Kaspar Lavater

Wetenschappelijke disciplines begrijpen kan voor bepaalde mensen heel moeilijk zijn. Terwijl biologie, scheikunde of natuurkunde voor sommigen vakken zijn die ze het liefst snel laten vallen, zijn er ook mensen waarvoor de wetten van de fysica puur plezier zijn.

Het verkrijgen van begrip voor de grondbeginselen van de fysica kan in het dagelijks leven heel nuttig zijn. Op een jonge leeftijd verstaan wat het deeltjesmodel van materie inhoudt kan goed van pas komen. Alles overal om ons heen bestaat uit materie.

Superprof wil in dit artikel leerlingen die van plan zijn natuurkunde in hun profiel te nemen graag aangeven wat er over dit onderwerp wordt geleerd. Stap maar in: we maken even een snelle rondrit!

Dichtheid van Materie

afbeelding van deeltjes in vaste stof, vloeistof en gas
Vaste stoffen, vloeistoffen en gassen zijn verschillende aggregatietoestanden van materie | bron: brightyellowjeans op Wikimedia Commons

Als we aan de slag willen gaan is het heel belangrijk om aan te geven waar materie van gemaakt is. Het bestaat uit kleine deeltjes die atomen heten. Atomen kunnen op zichzelf bestaan of samen met anderen als moleculen. Atomen zijn bijzonder klein. Ongeveer 100 miljoen nemen de ruimte in van een kubieke centimeter.

Mensen bestaan uit materie en zijn uiteraard groter dan een kubieke centimeter. Dat is dus een samenvatting van ontelbare atomen.

Dichtheid

Om te begrijpen hoe materie is samengesteld moeten we beseffen wat de term 'dichtheid' inhoudt. Dichtheid wordt gedefinieerd als de hoeveelheid massa per volume-eenheid. Aangezien alle materie uit deeltjes bestaat wordt dichtheid ook gebruikt om aan te geven hoe dicht de deeltjes als vaste stof, vloeistof of gas zijn samengepakt.

Vaste stoffen zijn dicht ineen verpakt in een regelmatige structuur. Deeltjes in vloeistoffen hebben wat meer ruimte om van plaats te veranderen. Gassen hebben de meeste vrijheid aangezien de deeltjes verspreid zijn door de beschikbare ruimte en op een willekeurige manier bewegen.

Als de aggregatietoestand van de materie gewijzigd wordt zal de dichtheid ook anders worden.

Soms is er maar weinig verschil tussen de vloeibare en de vaste vorm van een stof. In het geval van water en ijs zijn de deeltjes in beide gevallen dicht samengepakt. Het is belangrijk op te merken dat de dichtheid ook van het soort materie afhangt.

Fysica is een wetenschappelijke discipline. We kunnen daarom dichtheid ook op een logische manier berekenen met gebruik van een simpele formule:    formule dichtheid = massa gedeeld door volume

Densiteit p wordt gemeten in kilogram per kubieke meter, massa m wordt gemeten in kilogram en volume V wordt berekend in kubieke meter.

Alhoewel de normale formule kilogrammen en meters gebruikt komt het ook voor dat wetenschappers met grammen en centimeters werken.

Volume

Om de dichtheid op de juiste wijze te berekenen moet de volume van het materiaal bekend zijn. De volume van bepaalde vormen zoals de kubus, de bol, de cilinder en de kegel kunnen met eenvoudige formules gevonden worden.

Als het object een onregelmatige vorm heeft dat niet op een wiskundige wijze gemeten kan worden dient een verplaatsingsmeting te worden gebruikt om het volume te bepalen.

Hoe meet je de verplaatsing? Archimedes in het oude Griekenland kwam op een idee hoe dit moest worden gedaan.

Een vat wordt met water gevuld tot net boven een kleine tuit. Daarna wordt de tuit geopend en het water loopt weg tot het niveau net aan de onderkant van de tuit. Hierna wordt het onregelmatige voorwerp in het vat geplaatst. Al het water dat daardoor uit de tuit loopt wordt in een meetcilinder opgevangen om het precieze volume van het verplaatste water te bepalen.

Temperatuurveranderingen en Energie

bakstenen muur
Baksteen heeft een hogere warmtecapaciteit dan lood en vele andere stoffen | bron: Paul Brennan op Pixabay

Zoals we al zagen zijn er in het alledaagse leven drie aggregatietoestanden van materie: vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. Veranderingen in deze toestanden worden veroorzaakt door veranderingen in de inwendige temperatuur.

Door het toevoegen of verwijderen van energie van een materiaal kan zijn aggregatietoestand veranderen. Voorbeelden zijn het smelten van ijs (verandering van vaste stof in vloeistof) en het koken van water (verdamping van de vloeistof tot gas)

Tijdens deze wijzigingen blijft de hoeveelheid deeltjes gelijk. Het enige wat verandert zijn de plaatsing in de ruimte en de rangschikking.

Inwendige Energie

Nadat een voorwerp verhit of gekoeld wordt kunnen er veranderingen van de deeltjes in de materie plaatsvinden. Twee mogelijke veranderingen:

  • chemische verbindingen tussen de deeltjes kunnen ontstaan, breken of uitrekken
  • de materie wordt warmer of kouder wanneer de deeltjes erin meer of minder snelheid krijgen

In gewone woorden: de inwendige energie is het totaal aan kinetische en potentiële energie van alle deeltjes in het systeem.

De wet van behoud van energie geeft aan dat alle energie dat aan een voorwerp wordt doorgegeven verdeeld zal worden tussen de chemische en de thermische opslag van inwendige energie.

Energie en Temperatuur

De inwendige energie is niet hetzelfde als de temperatuur. Inwendige energie is de som van de totale energie-inhoud van de deeltjes in het object. Daartoe behoort ook de kinetische energie. Temperatuur is een maat voor de gemiddelde snelheid van de deeltjes.

Dit kan uitgelegd worden door te kijken naar het koken van twee verschillende hoeveelheden water. De grotere hoeveelheid zal er langer over doen om te koken aangezien het meer energie vergt om een grotere hoeveelheid in temperatuur te verhogen, terwijl de kleinere hoeveelheid sneller in temperatuur stijgt omdat dezelfde hoeveelheid energie aan een kleinere hoeveelheid deeltjes is doorgegeven.

Specifieke Warmte

De temperatuurverandering van een systeem hangt sterk af van de massa van de materie, het soort materie en de hoeveelheid energie die in het systeem is gebracht.

De specifieke (of soortelijke) warmte van een stof wordt bepaald door de energie te berekenen die nodig is om een kilogram (kg) van de materie één graad Celsius (°C) in temperatuur te verhogen. Dit wordt vaak in een zogeheten calorimeter uitgevoerd.

Sommige stoffen zoals baksteen hebben een hogere specifieke warmte dan bijvoorbeeld lood. Een interessant feit is dat hoe langer het duurt om een materiaal op te warmen, des te langer het zal duren om helemaal af te laten koelen.

Het berekenen van de hoeveelheid thermische energie dat wordt opgeslagen of vrijgegeven als de temperatuur van een systeem verandert kan worden gedaan door een eenvoudige formule: verandering in thermische energie = massa × specifieke warmtecapaciteit × temperatuurverandering  of   ΔE = m × c × Δθ

De verandering in thermische energie wordt in joules, massa in kilogrammen, specifieke warmtecapaciteit in joules per kilogram per graad Celsius, en temperatuurverandering wordt gemeten in graad Celsius.

Specifieke Latente Warmte

De energie die nodig is voor een faseovergang van een stof wordt gegeven door de specifieke latente warmte. De eenvoudige definitie van specifieke latente warmte is de hoeveelheid energie die nodig is om de fase van een kilogram materie te wijzigen zonder de temperatuur ervan te veranderen.

Aangezien er twee faseovergangen zijn: vast naar vloeibaar en vloeibaar naar gas (naast een minder voorkomend derde overgang: sublimatie, van vast naar gas) heeft iedere stof twee specifieke soorten latente warmte:

  • Latente smeltwarmte: de hoeveelheid energie nodig om de stof te laten bevriezen of smelten bij het smeltpunt
  • Latente verdampingswarmte: de hoeveelheid energie nodig om de stof van een vloeibare naar een gasvorm te laten veranderen

Misschien vraag je je af hoe latente warmte gemeten wordt. Dit wordt gedaan met behulp van een grafiek van de koelcurve of verhittingscurve. De grafiek heeft twee horizontale lijnen die gebruikt worden om te bepalen waar de energie niet wordt benut. Hoe langer de lijn, des te meer energie er is gebruikt om de faseovergang tot stand te brengen.

Gasdeeltjes

Gassen nemen meer ruimte in dan vaste of vloeibare stoffen. De deeltjes bewegen veel sneller en in willekeurige richtingen. Door de grotere snelheid duurt het niet lang voordat een gas zich verdeelt over de hele beschikbare ruimte.

De snelle en willekeurige bewegingen zorgen voor veel botsingen met andere gasdeeltjes. De gasdruk kan worden berekend door een eenvoudige formule: Formule: druk is kracht gedeeld door oppervlakte

 

De gasdruk (p) wordt in newton per vierkante meter gemeten, kracht (F) in newton en oppervlakte (a) in vierkante meter.

Druk en Temperatuur

De druk van een gas wordt hoger als de temperatuur toeneemt. De gasdeeltjes bewegen dan sneller en zullen met meer kracht tegen de wanden van het vat botsen.

De hogere temperatuur zorgt voor een hogere gemiddelde kinetische energie. Druk is voor gassen evenredig met de temperatuur.

Druk en Volume

Wetenschappers ontdekten in het verleden de samenhang tussen druk en volume. Als de volume verminderd wordt zal de druk toenemen. Een formule werd ontwikkeld voor een vaste gasmassa op een constante temperatuur:   p × V = constant

Geanimeerde gif van de wet van Boyle's
Als de volume van een bepaalde hoeveelheid gas (bij gelijkblijvende temperatuur en massa) afneemt neemt de druk toe | bron: NASA's Glenn Research Center op Wikimedia Commons

De druk (p) in deze formule wordt gemeten in pascal en de volume (V) in kubieke meter.

Als de temperatuur van het gas gelijk blijft zal als de volume van het vat verkleind wordt de druk toenemen en omgekeerd. We kunnen dit zien bij een ballon met heliumgas. Als het wordt samengeknepen zal het kleiner worden. Dit komt doordat dezelfde hoeveelheid gasdeeltjes botsen met een kleinere wandoppervlak.

Arbeid en Energie

De druk van een gas kan verhoogd worden door of de temperatuur te verhogen of het volume te verminderen. Als er een toename is in de interne energie van het gas moet de temperatuur toenemen.

Dit kunnen we zien bij een fietspomp. Hij wordt warm als een band opgepompt wordt. Mechanische arbeid draagt daarbij energie van de persoon over naar de interne energie-inhoud van het gas.

Heb je een leraar Natuurkunde nodig?

Vond je dit artikel leuk?

5,00/5 - 1 vote(s)
Laden...

Klaas

Techneut met een onderwijsachtergrond. Graag en vaak op zoek naar manieren om zowel jongeren als ouderen in staat te stellen om beter te leren. Vertaler voor Superprof sinds het begin!