Warmte convectie demonstreren

Datum: Juni 2017

Principe:

Convectie demonstreren in gas en vloeistof

Materiaal:

  • Koperen pijp ca, 10-20 cm lang
  • Digitale Thermometer (6802 II) met twee contact thermometers
  • Statief met 3 klemmen
  • DIY straws pakket
  • Oost-Indische inkt
  • Pipet
  • Water

 

Uitvoering:

Demonstratie met lucht
  • Klem de koperen staaf aan de bovenkant vast in de middelste klem.
  • Gebruik de ander klemmen om een probe aan de bovenkant en aan de onderkant van de koperen pijp te positioneren.
  • Stel de temperatuurmeter in op een verschilmeting tussen beide probes
  • Grijp de koperen pijp vast met een hand
  • Observeer

Demonstratie met water
  • Bouw het pijpenstelsel op zoals weergegeven in onderstaande foto
  • Klem deze in het statief vast
  • Vul met water en probeer te vermijden dat er luchtbellen in het pijpenstelsel zitten
  • Injecteer 100 microliter Oost-Indische inkt in de opening aan de linkerkant m.b.v. de pipet
  • Grijp de linkerpijp met de hand vast en houdt deze vast
  • Observeer

   

Resultaat:

Demonstratie met lucht
  • Zoals men in onderstaande foto's kan zien neemt de verschiltemperatuur toe tot ca. 5 C.

Demonstratie met water
De inkt zakt eerst naar de bodem van de opstelling Na vastpakken ziet men na enige tijd de inkt in de bovenste buis verschijnen

Deze kruipt door Beweegt zich naar beneden

Komt aan in de onderste buis En beweegt zich naar de eerste buis
Uiteindelijk is de cirkel rond  
 
 

Discussie:

Als twee lichamen met verschillende temperatuur met elkaar in contact komen zal er warmteoverdracht van het lichaam met de hogere temperatuur naar het lichaam met de lagere temperatuur plaatsvinden. De overdacht van warmte kan op drie manieren plaatsvinden:
  1. Convectie of meevoering van warmte: de warmte wordt overgebracht door bewegende materie
  2. Conductie of geleiding: de warmte wordt overgebracht d.m.v. materie die zich niet verplaatst
  3. Radiatie of straling: de warmte wordt overgebracht zonder bemiddeling van materie.

In de praktijk vindt de overdracht van warmte meestal plaats door een combinatie van deze mechanismen.

Convectie is alleen mogelijk in vloeistoffen en gassen, omdat nodig is dat de verschillende delen van de stof t.o.v. elkaar kunnen bewegen. Verwarmt men de onderste lagen van een vloeistofkolom, dan wordt de dichtheid van de vloeistof ter plaatse kleiner. Daardoor stijgt de verwarmde vloeistof op en beweegt de vloeistof uit de bovenste, koudere lagen zich naar beneden. Deze vloeistof wordt dan daar ook weer verwarmd en stijgt op, zodat een circulatie van vloeistof ontstaat.

Door de pijp met de hand vast te houden verwarmd men de lucht in de pijp in eerste instantie d.m.v. warmtegeleiding. Zodra de lucht begint te stromen vindt in de luchtstroom zelf convectie plaats. De warmere lucht stroomt aan de bovenkant de pijp uit. Op datzelfde moment wordt aan de onderkant lucht aangezogen. Dit proces blijft doorgaan zolang men de pijp vastpakt. In principe hebben we hier een kleine schoorsteen gemaakt.

Hetzelfde effect kunnen we waarnemen met de Oost-Indische inkt in water. Het warmere water heeft een lager dichtheid en beweegt zich naar boven. Aangezien we hier echter een pijpenstelsel gebouwd hebben dat een min-of-meer gesloten systeem presenteert gaat de vloeistof in dit stelsel circuleren. Dit systeem zal in principe stoppen met circuleren als we het water in de pijp op dezelfde temperatuur als in de hand gebracht hebben, aannemende dat er weinig temperatuurverlies naar de omgeving zal plaatsvinden.

Conclusies:

  • In lucht is het effect van convectie aangetoond met een verschiltemperatuurmeting.
  • In water is het effect van convectie optisch aangetoond m.b.v. een kleurstof.

Literatuur:

  • B. van Buuren, J.H. Smit; "Natuurkunde voor de HTS"; 6de druk; Educaboek; 1967; ISBN 9011008960; p. 152-165.
  • Th. Smits, R. Tromp, H. Geurts; "Nova Natuur- en scheikunde voor de basisvorming 2mHV"; Malmberg; 1998; ISBN 9020830465; p. 50-55.
  • R. Langras, W.J.M. Hobijn, M. Huizer, R. de Jonge, F.H. Peters; "Natuurkunde voor nu en straks in context, 3M"; 2de druk; Thieme; ISBN 9003411964; p. 157-161.
  • V.J. Schaefer, J.A. Day;"A Field Guide to the Atmosphere"; Houghton Miflin; 1981; ISBN 9780395976319; p.65-71.

Relevante websites

Opmerkingen:

  • In de atmosfeer ontstaan convectiecellen, analoog aan onze experiment met water. Deze zijn verantwoordelijk voor het transporteren van energie van de ene locatie naar de andere.

Achtergrondinformatie:

De circulatie van warm water in de centrale verwarming (CV) in een woning is gebaseerd op convectie. Men maakt hierbij onderscheid tussen vrije convectie en gedwongen convectie. Bij gedwongen convectie is een aparte circulatiepomp in het systeem opgenomen.

Het verwarmen van een kamer m.b.v. een kachel of CV radiator is gebaseerd op warmtevoortplanting door convectie. De lucht boven de kachel wordt sterk verwarmd, stijgt op, beweegt zich langs het plafond, koelt daarbij enigszins af en zakt langs de wanden waar naar beneden. CV  radiatoren worden vaak onder de raam geplaatst om zo de door ramen naar binnen stromende koude lucht meteen te verwarmen. Als men dat niet zou doen zou een koude luchtstroom langs de vloer van de kamer ontstaan (trek).

09/01/2018