Warmte Q
Lange tijd heeft men gedacht dat warmte een onzichtbare vloeistof, een stof, een substantie is. De Fransman Lavoisier, vooral bekend als scheikundige, noemde het “calorique”. Elk voorwerp zou een hoeveelheid “warmtestof” bevatten. Bij verbranding van stoffen komt er warmtestof vrij. Zoals water altijd van hoog naar laag stroomt beweegt warmte zich altijd van hoge naar lage temperatuur. De ene emmer kan meer water bevatten dan de ander, zo kan ook het ene lichaam meer warmte bevatten dan het andere.
Het idee dat warmte zich gedraagt als een vloeistof lijkt juist. De woorden warmtestroom en warmtecapaciteit herinneren daar nog aan.
In 1789 noemde Lavoisier warmte of calorique een element, net zoals bijvoorbeeld zuurstof. Benjamin Thompson, later graaf Rumford genoemd, beschreef in 1797 de ware aard van warmte.
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.
Je kunt warmte wel van lage temperatuur naar hoge temperatuur brengen maar dat gaat nooit vanzelf, daarvoor is energie nodig. De koelkast is daar een voorbeeld van.
Temperatuur T
In 1857 stelt de Duitse fysicus Clausius vast dat temperatuur in feite niets anders is, dan de bewegingsenergie van de atomen of moleculen.
We zeggen tegenwoordig iets preciezer: temperatuur is de gemiddelde bewegingsenergie van atomen of moleculen omdat we intussen weten dat niet alle atomen of moleculen in een stof dezelfde snelheid hebben.
Met deze definitie van temperatuur wordt ook duidelijk, dat warmte alleen van hoge temperatuur naar lage temperatuur kan gaan. Als je warm water bij koud water doet krijg je lauw water. De snellere moleculen van het warme water botsen met de langzamere moleculen van het koude water. De langzame deeltjes zullen versnellen en de snelle deeltjes zullen vertragen. Na voldoende botsingen treedt er een evenwicht in: er heerst overal dezelfde temperatuur, de gemiddelde snelheid van de deeltjes verandert niet meer.
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.
