Hoe verplaats je warmte met een gas
Laten we even een stapje opzij zetten en kijken hoe gassen zich gedragen. Als u ooit de banden van een fiets hebt opgepompt, dan weet u dat een fietspomp vrij warm wordt. Dat komt omdat gassen warm worden als je ze samenperst (knijpt). Om de band het gewicht van de fiets en je lichaam te laten dragen, moet je er lucht met een hoge druk in persen. Door het pompen wordt de lucht (en de pomp waar hij doorheen gaat) een beetje heter. Waarom? Omdat je de lucht samenperst, moet je hard werken met de pomp. De energie die je gebruikt bij het pompen wordt omgezet in potentiële energie in het samengeperste gas: het gas in de band heeft een hogere druk en een hogere temperatuur dan de koele lucht om je heen. Als je een gas samendrukt in de helft van het volume, vult de warmte-energie die de moleculen bevatten slechts half zoveel ruimte, zodat de temperatuur van het gas stijgt (het wordt heter).
Artikel: Gassen worden heter als je ze samendrukt in een kleiner volume, omdat je moet werken om hun energetische moleculen dichter bij elkaar te duwen. Als je bijvoorbeeld een fietsband oppompt, zuigt de pomp lucht aan en perst die in minder ruimte. Daardoor worden de moleculen (rode klodders) samengedrukt en wordt de band warmer.
Warmte verplaatsen door gassen in vloeistoffen te veranderen en weer terug
Als je een inventieve geest hebt, kun je je waarschijnlijk wel iets voorstellen bij een pomp die een fietsband op de ene plek oppompt en op een andere plek weer leeg laat lopen, waardoor warmte tussen de twee wordt verplaatst. Het is echter een onhandig idee, en we kunnen niet echt veel warmte op die manier verplaatsen: we zouden bijvoorbeeld heel veel gas nodig hebben. We kunnen echter wel een behoorlijke hoeveelheid warmte verplaatsen door een gas veel meer te laten uitzetten en inkrimpen, zodat het in een vloeistof verandert en weer terug – met andere woorden, door het in een andere toestand van materie te brengen.
Hoe zou dat werken? Kijk eens wat er gebeurt met een spuitbus, die een vloeistof bevat die onder druk is opgeslagen. Als je een spuitbus op je hand spuit, heb je waarschijnlijk gemerkt dat het heel koud aanvoelt. Dat komt deels doordat een deel van de vloeistof afkoelt en verdampt (verandert in een gas) als het de spuitbus verlaat. Maar het komt ook doordat een deel van de vloeistof je warme huid raakt en op dat moment verdampt: het verandert in een gas door warmte van je lichaam te stelen – en daardoor voelt je huid koeler aan. Dit zegt ons dat vloeistoffen laten uitzetten en in gassen veranderen een zeer effectieve manier is om warmte te onttrekken aan dingen. Dat is geen verrassing: zo werkt zweten, en daarom steken honden op warme dagen hun tong uit om af te koelen.
Photo: Vloeistoffen kunnen in gassen veranderen (en gassen koelen af) als je ze laat uitzetten in een groter volume. Daarom voelen spuitbussen zo koud aan.
Hoewel vaste stoffen en vloeistoffen grosso modo evenveel ruimte innemen, nemen gassen veel meer ruimte in dan beide. De moleculen in een vaste of vloeibare stof zitten vrij dicht op elkaar en trekken elkaar met grote kracht aan. Wanneer een vloeistof in een gas verandert, of verdampt, trekken sommige van de meer energetische moleculen uit elkaar en breken af. Er is veel energie voor nodig om dit te laten gebeuren, de zogenaamde latente verdampingswarmte, en die energie moet uit de vloeistof zelf of uit iets dichtbij komen. Met andere woorden, het veranderen van een vloeistof in een gas is een manier om de energie aan iets te onttrekken, terwijl het veranderen van een gas terug in een vloeistof een manier is om die energie weer vrij te geven. Dit is in wezen de manier waarop koelkasten warmte verplaatsen van hun koelruimte naar de ruimte buiten. Ze veranderen een vloeistof in een gas in de koelruimte (om de warmte van het opgeslagen voedsel op te nemen), pompen het naar buiten en veranderen het weer in een vloeistof (om de warmte aan de buitenkant af te geven).
Animatie: Het basisidee van wat soms mechanische koeling wordt genoemd. In een koelkast (1) veranderen we een vloeistof in een gas om warmte op te nemen uit de koelruimte (2), we pompen het naar buiten en veranderen het vervolgens weer in een vloeistof om de warmte daar weer af te geven (3).
De verwarmings- en koelcyclus
Door gassen samen te persen tot vloeistoffen kunnen we warmte afgeven; door vloeistoffen uit te laten zetten tot gassen kunnen we warmte opzuigen. Hoe kunnen we dit handige stukje natuurkunde gebruiken om de warmte van de binnenkant van een koelkast naar de buitenkant te verplaatsen? Stel dat we een pijp maken die deels in de koelkast zit en deels erbuiten, en die we afsluiten zodat het een doorlopende lus is. En stel dat we de leiding zouden vullen met een zorgvuldig gekozen chemische stof (een stof met een laag kookpunt) die gemakkelijk heen en weer gaat tussen vloeistof en gas, wat bekend staat als koelvloeistof of koelmiddel. Binnen in de koelkast zouden we de leiding plotseling breder kunnen maken, zodat de vloeibare koelvloeistof zou uitzetten tot een gas en de koelvitrine zou afkoelen terwijl deze er doorheen stroomt. Buiten de koelkast zouden we iets als een fietspomp kunnen hebben om het gas te comprimeren, zijn hitte vrij te geven, en het terug in een vloeistof te veranderen. Als de chemische stof door de kringloop stroomde, uitzettend wanneer hij zich in de koelkast bevond en samendrukkend wanneer hij zich buiten de koelkast bevond, zou hij voortdurend warmte van binnenuit opnemen en die als een warmtetransportband naar buiten transporteren. Op deze manier zouden we voortdurend warmte kunnen verplaatsen van een koude plaats (in de koelkast) naar een warmere plaats (erbuiten), iets wat volgens de natuurwetten niet automatisch mag gebeuren (als je het aan de natuurwetten overlaat, stroomt warmte van warmere naar koudere dingen).
En, surprise surprise, dit is bijna precies hoe een koelkast werkt. Er zijn wat extra details die de moeite van het opmerken waard zijn. In de koelkast zet de leiding uit door een mondstuk dat expansieklep wordt genoemd (technischer: een vaste opening). Wanneer de vloeibare koelvloeistof erdoor stroomt, koelt het sterk af en verandert het gedeeltelijk in een gas. Dit stukje wetenschap staat soms bekend als het Joule-Thomson (of Joule-Kelvin) effect naar de natuurkundigen die het hebben ontdekt, James Prescott Joule (1818-1889) en William Thomson (Lord Kelvin, 1824-1907). U zult niet verbaasd zijn te ontdekken dat de compressor buiten de koelkast niet echt een fietspomp is! Het is eigenlijk een elektrisch aangedreven pomp. Het is het ding dat een koelkast zo nu en dan laat zoemen. De compressor is verbonden met een roosterachtig apparaat, de condensor (een soort dunne radiator achter de koelkast), die de ongewenste warmte afvoert.
Foto: Vochtige lucht in uw koelkast bevat waterdamp. Wanneer de koelkast afkoelt, verandert dit water in ijs. Het koudste gedeelte van uw koelkast is het ijsvak bovenin. Dat komt omdat het expansieventiel er vlak naast is geplaatst.
Photo: Hier ziet u de compressor van een typische koelkast. Let op de leidingen die de koelvloeistof aan de ene kant naar binnen leiden en aan de andere kant weer naar buiten. U kunt dit apparaat alleen zien als u het van de muur weghaalt, omdat het aan de achterkant en onderkant is weggestopt. Zie meer foto’s in het kader hieronder.