Kinetische Energie en Temperatuur

Datum: Januari 2022

Principe:

Men kan met een eenvoudige experiment de relatie tussen Kinetische Energie en temperatuur aantonen. Dit experiment heb ik uitgevoerd met een Vernier LabQuest 2 en Surface Temperature Sensor (STS-BTA).

Materiaal:

  • Hamer
  • Houten plank
  • Silly Putty
  • Vernier Labquest 2
  • Vernier Oppervlakte Temperatuur sensor STS-BTA


Uitvoering:
 
  • Omwikkel de sensor met Silly Putty of een soortgelijk materiaal.
  • Leg deze op een plankje.
  • Start de meting
  • Sla meerdere malen met de hamer op de Silly Putty.
  • Stip de meting
  • Analyseer de resultaten
 

Resultaat:

De resultaten van de meting zijn samengevat in onderstaande screenshot.

Elke keer als men slaat kan men een temperatuurstijging waarnemen.

Discussie:

Het slaan met een hamer kunnen we gelijk stellen met het laten vallen van een gewicht op de Silly Putty, we zetten  potentiŽle energie om in kinetische energie. Door het slaan met de hamer op de Silly Putty dragen we de energie over op de Silly Putty. Kinetische energie noemen we ook wel bewegingsenergie. Omdat temperatuur eigenlijk de kinetische energie (bewegingsenergie) van de moleculen in een stof is betekent dit dat er energie toegevoegd moet worden om de temperatuur van de stof te laten stijgen. Door de klap met de hamer voegen we kinetische energie toe aan de Silly Putty, die Silly Putty wordt dan samengeperst waardoor de moleculen in de Silly Putty snelle gaan bewegen hetgeen zich manifesteert als een temperatuur stijging.

In formule:

PotentiŽle gravitatie energie: Epot = m.g.h1 J
(energie-eenheid in Joule)

waarin m de massa van de hamer is, g de gravitatieconstante en h1 de hoogte is vanaf waar we de hamer naar beneden bewegen. Op dat punt is de potentiŽle energie maximaal. Op het punt h2 waar de hamer de Silly Putty raakt vindt de maximale potentiŽle energie in kinetische energieomzetting plaats.

Epot1 - Epot2 = m.g.h1 - m.g.h2 = m.g.Dh = Ekin

Kinetische bewegings energie: Ekin = Ĺ.m.v2 J

waarin m de massa van de stof is en v de snelheid van de stof, in dit geval corresponderend met de gemiddelde energie van de moleculen in de Silly Putty.

Aangezien de energie omgezet wordt in warmte waardoor de interne temperatuur van de Silly Putty stijgt kunnen we schrijven

E= Q = m.Cp.DT J

waarin DT de temperatuurstijging is en Cp de soortelijke warmte van de stof.

Op basis van de formules zouden we kunnen aannemen dat alle parameters kwantificeerbaar zijn en we met dit experiment bv de soortelijk warmte van Silly Putty zouden kunnen uitrekenen. Dat is echter bedrieglijk omdat we hier niet alleen met gravitatie energie te maken hebben. Het slaan met een hamer betekent ook dat we spierkracht gebruikt hebben. Spierkracht is chemische energie en die wordt niet gevangen in de gebruikte formule van potentiŽle energie.

Om dit experiment kwantificeerbaar te maken hadden we het beter kunnen uitvoeren door een bekend gewicht van een gemeten hoogte te laten vallen.

 

Conclusies:

  • Door met een hamer op Silly Putty te slaan kunnen we een temperatuurstijging waarnemen, hetgeen aangeeft dat er energieoverdracht heeft plaatsgevonden,

Literatuur:

  • J. Koser; "Laboratory Activity; Specific Heat by Change in Internal Energy of Silly Putty"; The Physics Teacher; 12 49 2011; p. 574,575.
  • R. Cross; "Elastic and viscous properties of Silly Putty"; American Journal of Physics; 80 2012; p. 870-875.

Relevante websites:

Opmerkingen:

  • Men kan dit experiment natuurlijk ook uitvoeren met bv. een CMA Coachlab.