De Warmtepomp
Print deze pagina

1. Theorie

1.1. Warmteleer

Als we kijken naar een warmtepomp moeten we eerst weten welke belangrijke natuurkundige wetten daarbij komen kijken. Ten eerste is er de hoofdwet van thermodynamica, de wet van behoud van energie. Thermodynamica is een onderdeel van de natuurkunde en betekent letterlijk de beweging van warmte. Deze wet geeft aan of gebeurtenissen, waarbij energie wordt omgezet, mogelijk zijn of niet. Een omzetting van de ene energiesoort naar de andere is alleen mogelijk als daarbij de som van alle soorten energie constant blijft. Energie gaat nooit verloren, maar er komt ook nooit zo maar energie bij.

Een alledaags voorbeeld hiervan is een stuiterende bal. Op het moment dat je de bal stil boven de grond vasthoudt heeft de bal zwaarte-energie vanwege zijn afstand tot de aarde. Tijdens het vallen wordt deze zwaarte-energie omgezet in bewegingsenergie en warmte. Tijdens het stuiteren zelf wordt de bewegingsenergie gedeeltelijk omgezet in vervorming van zowel de bal als de vloer en in geluid. Na het stuiteren wordt de overgebleven bewegingsenergie omgezet in zwaarte-energie want de afstand tot de aarde neemt weer toe. Deze omzettingen blijven doorgaan totdat de bal stil op de grond ligt. Het lijkt dan dat de energie die de bal had, is verdwenen, maar de energie is slechts omgezet in andere vormen van energie, in dit geval vooral warmte.

Bij het toepassen van de wet van behoud van energie is het van belang onderscheid te maken tussen het systeem en de omgeving. In bovenstaand voorbeeld neemt, na een aantal keren stuiteren, de energie van het systeem, de bal, af tot nul, de energie van de omgeving neemt echter toe: de lucht en de vloer stijgen in temperatuur. De energie van bal plus omgeving blijft echter gelijk. Er is wel een mogelijkheid waardoor energie verdwijnt (en wordt omgezet in een deeltje), maar dat laten we hier buiten beschouwing. Het bijzondere is dat er processen zijn die volgens de wet van behoud van energie zonder meer plaats zouden kunnen vinden en toch komen ze in de natuur niet voor. Dit heeft te maken met entropie, de mate van chaos. Warmte blijkt een bijzondere vorm te zijn van energie. Men is er slechts enkele jaren geleden achter gekomen dat er nog een natuurkundige wet bij reacties komt kijken. Dit is de 2e wet van thermodynamica en wordt ook wel ‘entropie’ genoemd. Het is opvallend dat deze wet toch nog vaak niet wordt genoemd bij processen en reacties, terwijl het wel van grote invloed is. Een proces dat onder andere ook afhankelijk is van entropie is het ‘stromen’ van warmte, dit gaat altijd van warm naar koud. Wanneer alleen de hoofdwet van thermodynamica zou gelden, dan zou ‘kou’ ook naar warmte kunnen stromen. Als je dan bijvoorbeeld een kopje koffie hebt zou deze van 40° naar 70° kunnen stijgen in temperatuur, hierbij zou dan de omgevingstemperatuur afnemen, want er wordt warmte onttrokken aan de omgeving.

Je kunt alleen het omgekeerde proces krijgen met de warmtepomp.

Voordat er een warmtepomp was, werd er vanaf de 19e eeuw gebruik gemaakt van een stoommachine. Eerst zal ik ingaan op de ontwikkeling van de warmteleer en op de processen die voorgingen aan de ontwikkeling van de warmtepomp. Voordat ik hiermee begin is het belangrijk een paar belangrijke begrippen uit te leggen.

Temperatuur T

... is een maat voor de gemiddelde bewegingsenergie van de atomen of moleculen. Warmte is de hoeveelheid overgedragen energie van een voorwerp met hoge temperatuur naar een voorwerp met lage temperatuur. Warmte en temperatuur spelen een belangrijke rol bij de stoommachine. Als een voorwerp afkoelt, gaan de moleculen van die stof steeds langzamer bewegen. Dit kan doorgaan totdat de deeltjes stilstaan. Een lagere temperatuur is niet mogelijk. De absolute temperatuur, die gemeten wordt in Kelvin (K), is 0 geworden. Dit komt overeen met -273,15° C.

Warmte Q

Thompson, die als generaal verantwoordelijk was voor de verdediging van München, liet kanonnen maken. Om een loop van een kanon te maken, moet een massieve metalen cilinder worden uitgeboord. Bij dat boren ontstaat wrijvingswarmte. Thompson merkte op dat als warmte een stof zou zijn die uit het metaal zelf komt, deze op een zeker moment volledig uit het metaal verdwenen zou moeten zijn. Hij stelde daarentegen vast dat zolang de boor bleef draaien er warmte vrij blijft komen. Hij besefte dat de wrijvingswarmte te maken heeft met beweging, sterker nog: hij stelde dat warmte een vorm van beweging is. Thompson pakte de warmte van de scheikundigen af: warmte is geen stof, geen element. Hij plaatste de warmte daar waar ze thuishoort, namelijk in de natuurkunde. Door in je handen te wrijven weet je dat Thompson gelijk heeft: warmte is beweging.

Warmte en energie

Warmte is niets anders dan een bijzondere vorm van energie. In feite gaat het om energie die van het ene voorwerp naar het andere voorwerp gaat. Warmte gaat daarbij altijd vanzelf van een plaats met een hogere temperatuur naar een plaats met een lagere temperatuur.


Deze pagina is automatisch gegenereerd door APP_NAME.