|
|
|
|
warmtecapaciteit C, soortelijke warmte c, massawarmte, volumieke warmtecapaciteit
De
warmtecapaciteit
C (hoofdletter C) geeft de hoeveelheid energie aan om een voorwerp of materiaal 1 graad in temperatuur te
laten stijgen; de eenheid is daarmee Joule per Kelvin.
In formule is de warmtecapaciteit C =
ΔQ
/
ΔT
[Joule/K].
De hoeveelheid warmte die toegevoerd moet worden om het materiaal ΔT
in temperatuur te laten stijgen is dan: Q = C *
ΔT
[Joule].
Bij de definitie van warmtecapaciteit is de massa zelf, het aantal kg, niet belangrijk. Vaak willen
we echter juist weten hoeveel energie nodig is om 1 kg van een materiaal 1 graad in
temperatuur te laten stijgen. Dit heet de soortelijke warmte.
Soortelijke warmte c (energie per kg
per Kelvin)
De soortelijke warmte c (kleine letter c) duidt de hoeveelheid energie aan die
nodig is om 1 kg van een materiaal 1 graad in temperatuur te laten
stijgen. De
soortelijke warmte is een warmteopslagvermogen (per kg per graad) en wordt ook wel massawarmte of specifieke warmte
genoemd. De eenheid van de soortelijke warmte is daarmee Joule per kg per
Kelvin (want c = C / m).
In formule is de soortelijke warmte c =
ΔQ
/ (m *
ΔT)
en de eenheid is [J/kgK].
In formule is de warmte die toegevoerd moet worden Q = c * m *
ΔT
[Joule].
De soortelijke warmte c van materialen verschilt
nogal: water ca. 4200, ijs 2200, beton 840-920,
staal 500, polyesterplaat
1470, kurk 1760 en hout 1880
J/kgK.
Water komt er door de hoge soortelijke warmte gunstiger uit dan bijvoorbeeld beton. Dat is de
reden dat een grote (geïsoleerde!) ton water als warmteopslag kan
dienen.
Voorbeeld:
De soortelijke warmte van water
is 4187 J/kgK. Om een boiler voor de badkamer met een inhoud van 50 liter water 40 graden K (of
Celsius) in temperatuur te laten stijgen is dus nodig:
Q = 4187 J/kgK * 50 kg * 40 K = 8.374.000 J ofwel ca. 8,5 MJ (afgezien van
de opwarming van de omgeving, de ommanteling van de boiler e.d., waardoor warmte verloren
gaat).
Bij de soortelijke warmte van gassen onderscheiden we:
- soortelijke warmte bij constante druk (cp)
- soortelijke warmte bij constant volume (cv).
Voorbeelden van
warmtecapaciteiten e.d. zie iets meer over
warmtegeleiding.
Warmtecapaciteit (volumiek; energie per m3
per Kelvin)
Ook kan de warmtecapaciteit per volume-eenheid worden gebruikt, de volumieke
warmtecapaciteit of volumetrische warmtecapaciteit, de eenheid is
J/m3K (water heeft een volumieke warmtecapaciteit van 4187 kJ/m3K;
het getal is bij water identiek aan dat van de soortelijke warmte
omdat 1 m3 1000 kg is; ofwel 4,2 MJ/m3K).
Muren met meer of minder massa (en ook "faseverschuiving" waarmee
in uren het verschil wordt aangegeven in de warmtepiek buiten en binnen waarbij
we ernaar streven om de warmtepiek binnenshuis in de nacht te laten vallen)
Of een grote warmtecapaciteit werkelijk gunstig is, hangt van de
situatie af. Wanneer vloeren en muren met een grote warmtecapaciteit
(groot warmte accumulerend
vermogen, zie bij warmteaccumulatie) overdag sterk verwarmd moeten
worden, kan het opwarmen van de gehele ruimte vrij lang duren. Tijdens
de onverwarmde nachturen wordt de warmte weer uitgestraald. Door de
extreme isolatie van nieuwe woningen is het warmteverlies 's nachts bijna
te verwaarlozen in de winter en hoeft er niet meer zo veel
opgewarmd te worden.
Of muren met meer of minder massa gewenst zijn, is afhankelijk van welke
bouwwijze men zelf wenst en hoe de exacte situatie is. Het blijkt dat woningen
met meer massa sneller voldoen aan de BENG-eisen dan woningen met lichte
constructies (houtskeletbouw e.d.);
daarom is de BENG-eis voor die woningen met 5 kWh/m2 verhoogd.
Voordeel van meer massa (een materiaal met een hogere soortelijke
massa, een hogere warmtecapaciteit
of meer dikte) is: de massa kan meer warmte opnemen en afstaan wat een
geleidelijke temperatuurstijging en -daling in de ruimte tot gevolg heeft en dus
comfortabel aanvoelt (in de winter kan de zon de
muren meer verwarmen waardoor na zonsondergang minder energie nodig is om de
temperatuur op peil te houden; in de zomer wordt het overdag niet zo snel warm
omdat de muren warmte opnemen).
Nadeel van meer massa is: in de zomer wordt meer warmte opgenomen die
's nachts in huis blijft hangen (nachtventilatie
kan een oplossing zijn; zie ook TOjuli bij BENG) en in de winter is
overdag meer energie nodig om muren e.d. op te warmen (als die in de nacht hun
warmte hebben verloren), maar bij de huidige extreme isolatie speelt de
temperatuurdaling 's nachts nauwelijks een rol.
Voordeel
van minder massa is: er is in de winter minder energie nodig om de ruimte te verwarmen
(de muren nemen veel minder warmte op dan bij "meer massa").
Nadeel van minder massa is: bij veel zoninstraling is de
temperatuur in huis snel hoog (de muren nemen nauwelijks iets op) en na
verdwijnen van de zon of lager zetten van de verwarming daalt de temperatuur
sneller (maar bij zeer goede isolatie speelt dat een geringere rol). Voor
slecht geïsoleerde woningen zou "minder massa" voordelig kunnen zijn omdat
dan minder warmte opgeslagen wordt in de muren (warmte die bij slechte isolatie
's nachts weer verdwijnt).
Door zeer goede isolatie en 's zomers goede zonwering en eventueel
nachtventilatie is bij nieuwe woningen "meer of minder massa" niet zo
belangrijk meer.
(Naast temperatuursverschil ΔT en dikte van het
materiaal is bij het opnemen en afstaan van warmte bij bijvoorbeeld een muur natuurlijk ook
o.m. de mate van warmtegeleiding belangrijk: de warmtegeleidingscoëficiënt
(lambda); lambda beton ca. 1,7 W/m.K en hout ca. 0,15, dus beton neemt veel sneller warmte op
dan hout. Er bestond ook nog zoiets als het warmtepenetratiegetal b, de
maat voor de reactie waarin de temperatuur van het oppervlak reageert op een
warmte-toevoer: b = √(λ*ρ*c) dus afhankelijk van
de lamba, de soortelijke massa en de soortelijke warmte. Zie eventueel faseverschuiving.)
voorbeeld gebruik van soortelijke warmte bij berekening van benodigde hoeveelheid warmte voor een boiler; klik voor het excel-sheet (joostdevree):  |
Een aantal cijfers:
| materiaal | soortel. dicht- heid ρ [kg/m3] |
soortel. warmte c *) [kJ/kgK] |
volum. warmte- capaciteit **) [kJ/m3K] |
warmte- gelei- dings- coëff. λ [W/mK] |
| aluminium | 2800 | 0,88 | 2464 | 237 |
| argex (geëxp.kleik) | 340 | 1,1 | 374 | 0,58-1,00 |
| baksteen | 1750 | 0,84 | 1470 | 0,58-1,00 |
| basalt | 2700- 3200 |
0,84- 0,92 |
2268- 2944 |
3,5 |
| beton (gew.) | 2400 | 0,92 | 2208 | 2,00 |
| beton (grind-) | 2400 | 0,84 | 2016 | 1,3-1,9 |
| beton (cellen) | 600 | 0,84 | 504 | 0,22 |
| bitumen (een laag) |
1050 | 1,84 | 1932 | 0,66 |
| cellenglas | 100- 200 |
0,84 | 840- 1660 |
0,036- 0.058 |
| cellulose (vlokken) | 22-35 | 2,1 | 46- 73 |
0,036- 0,040 |
| chamotte | ca. 1700 | 0,84 | ca. 1400 | 1,1-1,3 |
| cement | ca. 1300 | 0,84 | ca. 1100 | |
| clt | 450 | 1,6 | 720 | 0,11 |
| eps 150 | 25 | 1,45 | 36 | 0,035 |
| gietijzer | 7500 | 0,5 | 3750 | 50 |
| gipsplaat | 700- 1150 |
1,0 | 700- 1150 |
0,2 |
| glas | 2500 | 0,84 | 2100 | 0,8-0,9 |
| glaswol zie bij minerale wol | ||||
| gramitherm | 35-45 | 1,5 | 52-68 | 0,041 |
| graniet | 2000- 3000 |
0,82 | 1640- 2460 |
3,5 |
| grind (grof) | 2000 | 0,84 | 1680 | 0,5 |
| hardboard | 1000 | 1,68 | 1680 | 0,17 |
| hennep (isol.) | 35- 40 |
2,3 | 80- 92 |
0,042 |
| hout | 550 | 1,88 | 1034 | ca. 0,2 |
| houtvezel- plaat |
ca. 200 | 2,1 | 420 | ca. 0,045 |
| houtwol (isolatie) |
55 | 2,1 | 115 | 0,038 |
| humus- aarde |
1450 | 1,84 | 2668 | 0,78 |
| ijs
(verg. water) |
917 | 2,2 | 2017 | 2,1 |
| kalk- zandsteen |
1750- 2200 |
0,84- 1,0 |
1470- 2200 |
1,0 |
| katoen isolatierol | 20 | 1,6 | 32 | 0,039 |
| keramiek | 2500? | 0,67 | 1675? | 1,46 |
| koelmiddel MEG glycol 30% |
1053 | 3,591 | 3781 | 0,34 |
| koelmiddel MPG glycol 30% |
1038 | 3,796 | 3940 | 0,34? |
| kurk (geëxpand) | 100- 200 |
1,76 | 176- 352 |
0,041- 0,046 |
| leem, leemsteen |
1650- 1800 |
1,0 | 1650- 1800 |
0,91 |
| leem- plaat |
1450 | 1,0 | 1450 | 0,59 |
| linoleum | 1200 | 1,47 | 1764 | 0,17 |
| lucht *) (droog) | 1,293 | 1,005 | 1,30 | 0,024 |
| minerale wol (glaswol, steenwol) | 15-175 (vaak 30-40) |
1,030 | 15,5- 180 (vaak ca. 30-40) |
0,032- 0,040 |
| naaldhout | 550 | 1,88 | 1034 | 0,14 |
| paraffine | 900 | 2,3 | 2070 | 0,25 |
| perliet (korrels) | 65- 120 |
0,84 | 55- 100 |
0,04- 0,06 |
| pir-schuim | 30? | 1,2 | 36? | 0,019- 0,022 |
| polyester- plaat |
1200 | 1,47 | 1764 | 0,2 |
| pur-schuim | 90 | 1,47 | 130 | 0,035 |
| pvc | 1400 | 1,47 | 2058 | 0,17 |
| rubber | 1200- 1600 |
1,47 | 1764- 2352 |
0,15- 0,29 |
| schapenwol | 19-60 | 1,7 | 32-102 | 0,038 |
| sneeuw (oud) |
200- 800 |
2,3 | 460- 1840 |
0,5- 1,8 |
| speksteen | 2980 | 0,98 | 2920 | 6,4 |
| staal | 7800 | 0,48- 0,53 |
3740- 4130 |
58 |
| steenwol zie bij minerale wol | ||||
| stro | 100 | 2,1 | 210 | 0,052- 0,080 |
| vlas | 25-35 | 1,6 | 40-56 | 0,038- 0,040 |
| water (verg. ijs) |
1000 | 4,187 | 4187 | 0,60 |
| waterdamp, 100 gr C *) | 0,6 | 2 | 1,2 | 0,016 |
| wol zie bij minerale wol of bij schapenwol | ||||
| xps | 30-40 | 1,5 | 45-60 | 0,027- 0,038 |
| zachtboard | 250- 300 |
2,1 | 525- 630 |
0,08 |
| zand (droog) | 1600 | 0,89 | 1424 | ca. 0,2 |
| zand (nat) | 1800 | ca. 1,1 | ca. 2000 | ca. 1 |
| zandsteen | 2300 | 0,84 | 1932 | |
| *) bij gassen is de cp vermeld
(constante druk); voor lucht geldt: cp/cv = 1,40 **) volumieke warmtecapaciteit = soortelijke dichtheid ρ * soortelijke warmte c let op: het resultaat is waarschijnlijk meestal té nauwkeurig, uitgaande van de significantie van de brongegevens |
Ook de term specifieke warmtecapaciteit wordt gebruikt. Water heeft een
specifieke warmtecapaciteit van 1,163 Wh/kg,K (Watt uur per kg per
Kelvin).
De relatie tussen warmtecapaciteit C en specifieke warmtecapaciteit kan als
volgt uitgelegd worden:
specifieke warmtecapaciteit van water is 1,163 Wh / (kg, K)
1W = 1 J/s, dus 1 Wh = 3600 J
1,163 Wh / (kg, K) is dan 3600*1,163 J / (kg, K) ofwel 4186,8 J / (kg, K)
omdat 1 m3 water = 1000 kg wordt dit 4186800 J / (kg, K) ofwel 4,2 MJ /
(m3, K).
De term capaciteit (geschiktheid, bekwaamheid; laadvermogen, kracht) is via het Franse
capacité ontleend aan het Latijnse capacitas (ruimte, vatbaarheid,
geschiktheid), tweede naamval capacitatis, een afleiding van het
bijvoeglijk naamwoord capax (veel kunnende bevatten, ruim, omvangrijk), ook in oneigenlijk gebruik:
"ontvankelijk voor iets", een afleiding van het werkwoord capere
(pakken, nemen). Bron Etymologiebank.
Afbeelding Vinckier.
Zie eventueel warmteaccumulatie,
calorische waarde
(verbrandingswarmte, energie-inhoud).
Eng. warmtecapaciteit is heat capacity; soortelijke warmtecapaciteit
(soortelijke warmte) is
specific heat capacity [J/(kg·K)]