Vergelijken warmteopname water vs zonnebloemolie

Datum: Januari 2022

Principe:

Effect van het verschil in soortelijke warmte van vloeistoffen bestuderen en hoe dit een meting kan beïnvloeden.

Materiaal:

  • Balans
  • Water
  • Zonnebloemolie
  • CMA Coachlab
  • Twee Temperatuursensors
  • Verwarmingsplaat
  • Statief met klem
  • Smalle flesjes (ca 30 ml)
  • Constructie gemaakt van Lego en klemmen om de probes goed op hun plaats te houden
  • Computer met CoachLab software en Excel geïnstalleerd.

CMA CoachLab

Temperatuursensor
 

Uitvoering:

  • Bouw de opstelling met verwarmingsplaat, statief, temperatuursensors en CMA Coachlab op zoals weergeven in onderstaande foto's
  • Weeg ca. 20 g water in een flesje af m.b.v. de balans.
  • Noteer nauwkeurig hoeveel afgewogen is
  • Herhaal dit met zonnebloemolie en een ander flesje
  • Plaats de beide flesjes op het midden van de verwarmingsplaat
  • Positioneer de temperatuursensors zodat ze in het midden van de vloeistof hangen, zowel op hoogte als op diameter. Probeer te voorkomen dat de sensors het glas aanraken
  • Wacht tot beide sensors dezelfde temperatuur geven
  • Stel Coachlab in op een meting van 2 metingen per seconde  gedurende 20 minuten
  • Noteer welke sensor in welke oplossing steekt
  • Start de meting
  • Zet de verwarmingsplaat aan
  • Herhaal dit experiment twee keer
  • Voer het experiment een vierde keer uit maar nu met de sensors dicht tegen de bodem geplaatst.
  • Analyseer de verzamelde data m.b.v. Excel

 
Exp 1-3 Exp 4

Screenshot

Resultaten:

De meetresultaten van de eerste drie experimenten zijn geïmporteerd in Excel en gemiddeld. Vervolgens kan men onderstaande grafiek construeren.

Experiment 4

 

Discussie:

Als warmte naar een voorwerp stroomt, neemt de temperatuur van het voorwerp toe (aangenomen dat er geen faseovergang plaatsvindt). De hoeveelheid warmte Q (in Joule, J) die nodig is om de temperatuur van een bepaald materiaal te verwarmen is evenredig is met de massa m (in kg) van het aanwezige materiaal en de temperatuurverandering ∆T (K of °C). In  formule:

Q = m.Cp.∆T

Hierin is Cp (in J/kg.K) de warmtecapaciteit van het voorwerp gedefinieerd als de hoeveelheid warmte (energie) die aan een voorwerp moet worden toegevoerd om de temperatuur van het voorwerp 1 Kelvin te doen stijgen.  In dit geval gebruiken we de Cp omdat we de druk constant te houden. De warmtecapaciteit van een vloeistof is licht afhankelijk van de temperatuur van die vloeistof.  Als men het volume constant houdt spreekt men van Cv. Elke stof heeft een eigen warmtecapaciteit (specifieke warmtecapaciteit). Voor globale energiesysteemanalyses kan de warmtecapaciteit constant worden verondersteld, maar bij gedetailleerde ontwerpberekeningen moet de temperatuursafhankelijkheid uiteraard meegenomen worden. Een andere benaming voor de specifieke warmtecapaciteit is de soortelijke warmte.

Voor water bij 1 bar en temperaturen tussen 20 en 60 °C bedraagt de specifieke warmtecapaciteit ca. 4.18 kJ/kg.K. Voor zonnebloemolie bedraagt de specifieke warmtecapaciteit ca. 2.25 kJ/kg.K. Als we dan aan beide stoffen dezelfde hoeveelheid warmte toevoegen (door ze bv naast elkaar op een kookplaat te zetten), dan zal de stof met de lagere soortelijke warmte een grotere DT bereiekn en dus ook sneller opwarmen. Exact dat kunnen we waarnemen in de grafiek, aan het eind van het experiment heeft de olie een hogere temperatuur bereikt als het water.
 
Bekijken we de grafiek echter nauwkeurig dan zien we dat in het eerste deel van de grafiek het water sneller opwarmt dan de olie. Als we de data van elk experiment bekijken dan vinden we deze observatie ook in de individuele experimenten terug.

De verklaring voor deze observatie kan men vinden in het mechanisme voor warmteoverdracht in vloeistoffen, nl voornamelijk door convectie (vloeistofstroming) en de mate van convectie wordt bepaald door de viscositeit van een vloeistof. Water heeft een lage viscositeit en stroomt gemakkelijk, terwijl olie met een hogere viscositeit moeilijker stroomt. Als we nu de bodem van het vaatje verwarmen kost het relatief meer tijd voor de warme olie om de temperatuursensor te bereiken, waar we de temperatuurtoename meten. Voor water verloopt het proces sneller. Daarom zal men voor water sneller een temperatuurtoename registreren dan voor olie waarna het effect teniet gedaan wordt door de snellere temperatuurtoename van de olie.

Bovenstaande verklaring kunnen we experimenteel aantonen door de temperatuursensors dichter bij de bodem te plaatsen zoals we Experiment 4 gedaan hebben. Het effect van de stromingsverschillen is veel minder aanwezig en de olie warmt daar sneller op zoals men kan zien in nevenstaande grafiek.

Opmerkingen:

  • De resultaten zij opgeslagen in de Excel file: Resultaten .xlsx
  • De Coachlab file: Result_20220105_Exp b.cmr7
  • Een van de glaasjes die ik in de eerste drie experimenten gebruikte was gebroken, daarom schakelde ik voor experiment 4 over op jampotjes.
  • Data wordt geïmporteerd in Excel als tekst. Om deze weer in  getallen te converteren selecteert men een kolom en klikt onder DATA op "Text to Columns". Als je per ongeluk de decimale separator verkeerd heb ingesteld gebruik dan eerst Find and Replace (, naar . of vice versa)

Literatuur:

  • Binas; Wolters-Noordhoff; 1992; ISBN 9001893724; Tabel 11
  • E. Brian Smith; "Elementaire Chemische Thermodynamica"; Heron; 1989; ISBN 9031309966; p. 9-19, 77-86
  • O.O. Fasina, Z. Colley; "Viscosity and Specific Heat of Vegetable Oils as a Function of Temperature: 35°C to 180°C"; International Journal of Food Properties; 11 2008; p. 738-746
Relevante websites:

Minder relevante website:

Achtergrondinformatie:

De warmteafgifte of warmteopname q naar of van een massa m is gerelateerd aan de te temperatuursverandering ∆T volgens: q = Cp.m.∆T  waarbij Cp de specifieke warmte capaciteit van die massa is bij constante druk.

Voor water: Cp = 4.18 J/(g.°C) 
 

06/01/2022