dag Denise,

Daarmee komen we in het domein van de stofeigenschappen, en in het grensgebied met de scheikunde. 

Water, de gewoonste stof op aarde, heeft een aantal van de bijzonderste eigenschappen van alle stoffen in het heelal.

• Bijna alle stoffen krimpen als ze van vloeibaar naar vast gaan, water zet juist vrij sterk uit als het ijs wordt. 
• En ook, inderdaad, van alle bekende stoffen heeft water de grootste soortelijke warmtecapaciteit (dat wil zeggen: er is veel warmte nodig om 1 kg water 1°C in temperatuur te laten stijgen) 
• Ook kost het veel warmte om 1 kg ijs te laten smelten (smeltwarmte) of 1 kg water te laten verdampen (verdampingswarmte) . 
• Water heeft ook een hoge oppervlaktespannning: als je het voorzichtig doet kun je een stalen paperclip OP het water laten drijven:

Het "waarom" van dat alles zit verborgen in de vorm van een watermolecuul en zijn bewegings- en bindingsmogelijkheden. 

"Warmte" is eigelijk weinig anders dan (inwendige) bewegingsenergie van moleculen:





^{http://www.lsbu.ac.uk/}


Da's heel wat voor zo'n klein molecuul.

Een blokje stof opwarmen komt dus neer op het harder laten bewegen van de moleculen in dat blokje. En wat water onderscheidt van bijna alle ander stoffen is iets dat je bij scheikunde misschien nog wel eens zal leren: watermoleculen kunnen elkaar ook heel goed "vasthouden" door middel van zogenoemde waterstofbruggen, aantrekkingskrachten tussen zuurstofatomen en waterstofatomen : en tja, water bestaat uit niks dan zuurstof en waterstof. 
Zo "binden" watermoleculen zich langs alle kanten aan hun buren:


^Wikiwijs

(die stippellijntjes stellen "waterstofbruggen" voor: in het echt zijn er natuurlijk geen lijntjes, we stellen hiermee die krachten voor) 

Om harder te kunnen gaan bewegen (door meer energie) is er ook veel energie nodig om die vele waterstofbruggen losser te maken of zelfs te verbreken (als het een gas wordt) .

En daarom kost het zoveel energie om een kilogram water op te warmen. Véél meer dan bij bijna alle ander stoffen. Daarom is water (en stoom) ook een ideale stof voor opslag of transport van warmte: er kan héél veel warmte in een emmertje :) . 

Beetje duidelijk zo?

groet, Jan

...in aanvulling op Jans opmerkingen:

oplossen van een stof zorgt voor een vriespuntsdaling (of smeltpuntsdaling - da's hetzelfde). De daling is afhankelijk van hoeveel stof kan worden opgelost, niet wat wordt opgelost (zie https://nl.wikipedia.org/wiki/Vriespuntsdaling). Op dezelfde manier is er ook een kookpuntsverhoging (https://nl.wikipedia.org/wiki/Kookpuntsverhoging).

Daardoor kan bijv. ijs smelten als er zout (of pekel) op gestrooid wordt - het smeltpunt daalt en als dat lager ligt dan de buitentemperatuur, dan smelt het ijs tot water.
De opgeloste stoffen "zitten in de weg" tussen de watermoleculen en zorgen voor die vriespuntsdaling of kookpuntsverhoging.

Zoals Jan al aangaf is water een heel speciaal goedje dat erg veel warmte kan opnemen of vasthouden - meer dan zeep of rijst.

Water heeft dus een hogere soortelijke warmte, betekent dit ook dat de begin temperatuur van water altijd  lager zal zijn dan die van zeep en rijst als je ze bevriest ze een nachtje onder dezelfde temperatuur? En stel je doet water met zout in een vriezer van -12 graden, zal dit dan automatisch ook betekenen dat het mengsel -12 zal worden?

Dag Denise,

Elke stof die je opbergt in de vriezer bij een temperatuur van -12°C zal in temperatuur dalen naar diezelfde -12°C. Zolang er een temperatuurverschil is zal er warmte stromen van de warmere stof (wat je in de vriezer zet) naar de koudere stof (de lucht in de vriezer). 
Het  verschil is dat het bij de ene stof langer zal duren om die -12°C te bereiken dan bij de andere, met als belangrijkste oorzaak omdat er per kilogram meer warmte uit gehaald moet worden.
Met jouw proefje (opwarmen in de buitenlucht) zie je dan hetzelfde effect, net als dat afkoelen zal dat opwarmen dan langer duren, maar uiteindelijk haalt elk proefje de omgevingstemperatuur. 

Bij die snelheid spelen andere eigenschappen ook nog een rol, want de ene stof kan eenzelfde hoeveelheid warmte bij eenzelfde temperatuurverschil sneller afstaan aan de omgeving. Dat heet dan een warmte-overdrachtscoëfficiënt. Maar dat lijkt dan een beetje op de kwestie of je water laat opwarmen in een bekertje, of in een thermoskan: in dat bekertje zal het veel sneller gaan, maar óók het water in die thermoskan komt uiteindelijk op dezelfde eindtemperatuur. Ook het contactoppervlak waarlangs die warmte kan worden uitgewisseld speelt een rol. Dat zou bij die rijstkorrels nog behoorlijk wat kunnen schelen.

In jouw proefje is hoe dan ook die soortelijke warmtecapaciteit van de stoffen de hoofdschuldige, met kop en schouders. 

Groet, Jan

Ook van belang (niet voor de vraag of water de wedstrijd wint, maar voor de vraag met hoeveel voorsprong dat water de wedstrijd wint....)

1. Wat was de reden dat je water met zout nam?
2. Was dat zoute water wél of niét bevroren tot ijs toen je het uit de vriezer haalde ??

groet, Jan

Wij moesten voor natuurkunde PO een koelbox maken. Omdat ik op internet las dat rijst, water met zout en vloeibare zeep goede koelelementen waren heb ik die gebruikt voor dit experiment. Het water met zout was niet bevoren. 

Ik had nog meer vragen:
- Waarom isoleert piepschuim goed? 
- Waarom neemt aluminiumfolie geen/weinig warmte op? 

groetjes, Denise

1. Ik had nog een vraag. Ik las ergens dat water met zout een lagere soortelijke warmtecapaciteit heeft dan gewoon water, is dit waar? enzoja, klopt het dan dus dat water langer koud blijft dan water met zout? En waarom zouden mensen dan op een site water met zout aanraaden als koelelementen ipv zuiver water? En blijft demiwater dan langer koud dan zoutwater en waarom?

dag Denise,

Waar heb je dat dan gelezen? Want dat is nogal onzin. 

En nog een tweede vraag voordat ik zinvol op jouw vragen kan ingaan: Op welk niveau/leerjaar krijg jij warmteleer? (Ken je bijvoorbeeld de formule Q=m·c·ΔT ? En termen als smeltwarmte, verdampingswarmte?)

Groet, Jan

ik zit in 5vwo de formule Q=m·c·ΔT zegt mij inderdaad wel wat!

wat is (qua volume) het belangrijkste bestanddeel van piepschuim? En bedenk eens wat warmte-eigenschappen van dat bestanddeel?

welke factor in Q=m·c·ΔT zou dat kunnen veroorzaken? NB, concentreer je op het woord "folie". 

kun je checken in BINAS.

bij gelijke andere factoren, ja

geen flauw idee. Ik zou het juist sterk afraden. Daarom vroeg ik je ook al naar die site waar jij "koelelementen" als rijst, water met zout en vloeibare zeep had gevonden. Enig voordeel zou kunnen zijn dat water met voldoende zout in een gewone vriezer niet zal stollen, en je een "koelelement" in de vorm van een limonadeflesje geheel kunt vullen met maar een klein riscico op scheuren door bevriezen.

zie vragen 1) en 2)

omdat zout een lagere soortelijke warmtecapaciteit heeft dan water. Ik meen niet dat er een stof bestaat met een grotere warmtecapaciteit dan water. 


groet, Jan

3) En waarom zouden mensen dan op een site water met zout aanraden als koelelementen ipv zuiver water?
Het zout in het water is zodat de koelelementen niet per ongeluk bevriezen en kapot gaan. Je kan ze tot onder de nul graden koelen.

Dag Roy,

dat is waar, maar daarmee wordt de warmtecapaciteit van een koelelement ook ernstig beperkt: het zijn juist de fase-overgangen (smelten/stollen of verdampen/condenseren) die veel warmte kosten. Een flesje ijs dat opwarmt (en onderweg dus ook nog smelt) van -10 naar +10^oC neemt 5 x zoveel warmte op als dat zelfde flesje met evenveel zout water dat niet bevroren is en dus ook niet smelt. 
Praktische koelelementen gaan dus altijd voor bevriezende versies.


Naast water zit daar een beetje verdikkingsmiddel, een gel, in (en een kleurstofje). Hoe die gel precies werkt weet ik niet, en ik kan het zo gauw ook niet vinden, maar ik kan me voorstellen dat daarmee de gehele inhoud wat regelmatiger bevriest wat problemen met scheuren van de koelelementen voorkomt. 

groet, Jan 

Voor wie dit leest en wellicht kan reageren:

Ik heb nog een gedachte over de vulling van een koelelement. 

Zout water heeft een lagere warmtecapaciteit dan water, oke. De grote "maar" is: dit geldt toch alleen in vloeibare (en wellicht gas) toestand? Ik las dat de warmtecapaciteit van bevroren water dan weer vrij laag is; bijna de helft van vloeibaar water. En dat is lager dan de warmtecapaciteit van vloeibaar zout water.

Dus dit pleit voor zout water in koelelementen: zolang het maar wel bevroren uit de vriezer komt zou dit het langst koud moeten blijven.

Voorbeeld: je maakt water zo zout dat het pas bij -7 bevriest, en je brengt het in een vriezer naar -10. Dit zou toch langer koud moeten blijven dan een gewoon water/ijs van -10?