Warmtetransport door stroming

[CakeMuffin]

Goedenavond allemaal.

Ik heb maandag een stageles ivm warmtetransport door stroming. Hierbij moet ik een proefje uitvoeren dat luidt als volgt:

Je krijgt een gekleurd ijsblokje. Breng het in een beker met koud water. Wat stel je vast

a) ijsblokje gaat onmiddellijk drijven

b) Als het ijs begint te smelten gaat de koude gekleurde, vloeistof dalen

verklaring: het gekleurde water is kouder en dus zwaarder dan het water in de beker.

(wat in het vet staat moet ik zelf invullen)

Maar nu dus mijn vraag: als het ijs begint te smelten, dan gaat de koude, gekleurde vloeistof dalen omdat het kouder en dus zwaarder is. Maar hoe komt dit? Ik begrijp niet goed waarom koud water gaat dalen en daardoor dus zwaarder is. Dit is een proefje om warmtetransport door stroming te omschrijven. Ik weet niet hoe ik het goed en duidelijk kan omschrijven aan de leerlingen.

Bedankt!

[Kwintendr]

Een temperatuurverschil zorgt voor een verschil in dichtheid. Je kan dit inzien omdat een stof bij afkoelen krimpt en er dus meer moleculen per volume eenheid zijn. Bij water gebeurd er echter iets raar als de temperatuur onder een graad of 4 daalt. Dan neemt de dichtheid namelijk weer af. Dat is omdat als je water afkoelt, er waterstofbrug bindingen gevormd worden. Hierdoor ontstaat een 'holle' structuur. Hoe kouder, hoe meer waterstofbruggen en dus hoe meer holtes. Als je onder 4 graden zakt, zijn er zoveel holtes dat het volume van het water weer toeneemt ( en dus de dichtheid af). Hier door drijft ijs op water. Als je ijs smelt heeft het smeltwater een temperatuur van 0°. Dat koude water zal dus normaliter niet zinken. Doordat het smeltwater in contact staat met warmer water, zal dit opwarmen en de dichtheid zal toenemen ( aja want als je de temperatuur laat zakken onder 4 graden neemt de dichtheid af). Nieuw smeltwater dat er bij komt is dus lichter dan oud smeltwater ( wat ook gekleurd is en al wat opgewarmd is door omringend water van in de bak) en het oud smeltwater zal dus zakken.

Dat is hoe ik het zou verklaren

[CakeMuffin]

Ik denk dat ik het ongeveer snap maar nog niet compleet. Ik heb een klas waarbij ik alles heel gedetailleerd moet uitleggen, heel veel voorbeelden moet gebruiken en zelf ook gebruik moet maken van proefjes en/of filmpjes. Maar klopt het dat het gekleurde water zich gaat verspreiden omdat het gekleurde water minder moleculen heeft dan het koude (dus niet-gekleurde) water? Maar koud water heeft toch meer moleculen en is dus zwaarder dan warm water dus waarom kan het zo snel zinken naar de bodem?

[Kwintendr]

Kan deze afbeelding je helpen?

tempdruk 732 keer bekeken

Bron: Waterwereld.nu

[Anton_v_U]

Het gekleurde water daalt, we nemen aan dat het niet de kleurstof zelf is die daalt maar het water dat de kleurstof meeneemt en dat de kleurstof geen invloed heeft op het smeltpunt. Het is belangrijk dat je dat goed uitlegt. Als leerling zou ik denken: dit komt doordat de kleurstof grotere dichtheid heeft dan water.

Okee, de dichtheid van het gekleurde water is groter dan van het omringende water. Dat moet door de temperatuur komen. Het gekleurde water heeft op het moment dat het smelt een temperatuur van exact 0⁰C.

Zelfs als het omringende water een temperatuur heeft van 6⁰C en dus een grotere of even grote dichtheid heeft als het gekleurde water van 0⁰C (zie grafiek Kwinten), is het denkbaar dat je het gekleurde water toch een beetje ziet zinken doordat het gekleurde water langzaam een beetje opwarmt en dan een grotere dichtheid krijgt maar dat zou je eens kunnen proberen. De verschillen zijn wel erg klein.

Op den duur ontstaat thermisch evenwicht. Dan gaat het allemaal mengen (diffusie, kun je uitleggen met moleculen die bewegen in een vloeistof net als een bak met rode en blauwe knikkers mengen als je ze een beetje schudt).

Als ik leerling was, zou ik vragen het experiment nog eens te doen in een bak met water en smeltend ijs. Als het goed is verdwijnt het effect van zinken dan en je ziet alleen maar menging want het smeltwater heeft dezelfde temperatuur en dichtheid als het omringende water. Als het dan niet meer zinkt of in ieder geval duidelijk minder dan in warmer water zou, ik accepteren dat ik gezien heb dat het gekleurde water zinkt door de grotere dichtheid van koud water.

[Anton_v_U]

Maar klopt het dat het gekleurde water zich gaat verspreiden omdat het gekleurde water minder moleculen heeft dan het koude (dus niet-gekleurde) water? Maar koud water heeft toch meer moleculen en is dus zwaarder dan warm water dus waarom kan het zo snel

Pas op: niet meer moleculen maar meer moleculen in dezelfde ruimte. Verder lopen er een aantal processen tegelijk die allemaal invloed op elkaar hebben: zinken, diffusie (menging), stroming en warmte uitwisseling. De neiging om zich te verspreiden komt door diffusie, de neiging om te zinken komt door verschil in dichtheid.

Warmte uitwisseling komt doordat snelle moleculen botsen met trage moleculen, de trage moleculen worden sneller en de snelle worden trager -> thermisch evenwicht. Warmte uitwisseling wordt beïnvloed door diffusie (betere menging = meer uitwisseling van warmte), stroming (dan is er uitwisseling in een groter gebied) en geleiding (naastliggende moleculen geven energie aan elkaar door).

[CakeMuffin]

Goed, ik denk dat ik het snap! Nu gewoon hopen dat de leerlingen niet te veel vragen hieromtrent gaan stellen

Bedankt allemaal!

[Anton_v_U]

Succes! En hoe meer ze vragen hoe beter toch?