Blog

Mijn experimentele studie gaat twee onderzoeksvragen behandelen

Mijn experimentele studie gaat twee onderzoeksvragen behandelen:
Is klei een goed materiaal om door hoogradioactief afval geproduceerde warmte efficiënt af te voeren?
Is klei een goed materiaal om een grote hoeveelheid door hoogradioactief afval gegenereerde warmte op te slaan?
Bij deze onderzoeksvragen draait het om de thermodynamische eigenschappen van stoffen
en hoe deze de verspreiding van warmte door de stof beïnvloeden. Hierbij zal de afstand tussen de deeltjes van de stof een rol spelen, maar ook hoe de deeltjes t.o.v. van elkaar staan in de stof speelt een belangrijke rol. Verder staat ook de warmtegeleiding van de stof centraal.
– We zijn in staat om Geleidingsflux binnen natuurlijke klei te bepalen door een proefopstelling te bouwen die de meting van warmtegeleiding door klei toelaat. Hiervoor zullen we de warmtegeleidingscoëfficiënt berekenen.
– Klei is een betere warmtegeleider dan water, de warmtegeleidingscoëfficiënt van klei is groter dan deze van water
– binnen éénzelfde gewicht aan klei kan meer warmte opgeslagen worden dan binnen hetzelfde gewicht aan water.

Onderstaande zullen de twee proeven verder beschreven worden in “hoofdstuk 7.3 Berekening warmtegeleidingscoëfficiënt van klei” en in “hoofdstuk 7.4 Berekening van de warmtecapaciteit van klei”. Achteraan mijn Geïntegreerde proef heb ik in bijlage de bespreking opgenomen van een eerste proef die ik uitvoerde en die niet gelukt is.
– Hoe kunnen we de thermische geleidingscoëfficiënt van klei verkrijgen?
– Hoe kunnen we hiermee experimenteel bewijzen dat klei een betere geleider is dan water?
Bij deze proef draait het om de fysische samenstelling van stoffen en hoe deze de verspreiding van warmte door de stof beïnvloeden. Hierbij zal de afstand tussen de deeltjes van de stof een rol spelen, maar ook hoe de deeltjes t.o.v. van elkaar staan in de stof speelt een belangrijke rol. Verder staat ook de warmtegeleiding van de stof centraal.
Om warmteoverdracht door geleiding te beschrijven gebruiken we de wet van Fourier. Deze laat toe om de warmtestroom door een materiaal te beschrijven:
In één dimensie zegt deze wet:
Jx/S=?*S*?T/?x
Waarin:
Jx: warmtestroom in de x-richting Watt
S: oppervlak waardoor het warmtetransport plaatsvindt m2
?: warmtegeleidingscoëfficiënt van het voorwerp W m?1 K?1
dT/dx: temperatuurgradiënt K/m (dit is het temperatuurverschil over de afstand tussen de meetpunten)
Voor mijn proef heb ik deze formule toegepast zonder rekening te houden met de tijd. Met andere woorden, ik heb een tijdsonafhankelijke geleidingsflux bepaald door een langwerpig kleiblok met lengte ?x en doorsnede S met een temperatuurverschil ?T tussen de warmste en de koudste plaats.
De FLUX of warmtestroom berekend worden J=?Q/?t=?*S*?T/?x
De thermische geleidbaarheid of warmtegeleidingscoëfficiënt (symbool ?) die in de wet van Fournier gebruikt wordt is een constante die weergeeft hoe goed een stof warmte geleidt. Die constante is niet alleen afhankelijk van het materiaal, maar ook van de temperatuur, dichtheid en het vochtgehalte. Hij wordt W/(m·K) (de m staat hier voor meter) of als (W*d)/(A*K), hierbij is d de dikte en A de oppervlakte van het materiaal.
– We kunnen simuleren dat de warmte van radioactief afval zich efficiënt verspreid in een kleibodem. Dit door uit de warmtegeleidingsflux de thermische geleidingscoëfficiënt van klei te berekenen.
– We kunnen hierdoor bewijzen dat klei een betere geleider is dan water.
Een balkvormig kleistaal met afmetingen L X B X H = 25 cm X 3 cm * 3 cm
Een houden balkje
Parafine kaars
Nauwkeurige meetlat
Digitale thermometer
En extra voor de berekening van de door de paraffinekaarsvlam geproduceerde energie:
Wasknijpers
Opengesneden frisdrankblikje
Water
Chronometer
Voor dit experiment werd volgende werkwijze gevolgd:
Het kleistaal in de vorm van een balk met afmetingen (L X B X H = 25 cm X 3 cm * 3 cm) wordt op een houten drager geplaatst (hout is een goede isolator).
Onder het ene uiteinde wordt een brandende paraffinekaars geplaatst
Op 5 cm en 15 cm (dus op een afstand van 10 cm van elkaar) van de kaarsvlam wordt een markering geplaatst om later temperatuurmetingen uit te voeren
Met een digitale thermometer wordt de temperatuur van het water gemeten, tot op 0.1 graad Celsius nauwkeurig. Deze meeting wordt uitgevoerd net voordat de klei uit de oven gehaald wordt voor de derde en laatste temperatuursmeting.

Na 10 minuten wordt de temperatuur in het midden van de kleistaaf op de maatpunten van 5 cm en dat van 15 cm gemeten. Met deze twee temperaturen kan de berekening van de flux uitgevoerd worden. Deze 10 minuten zijn belangrijk omdat we de energie moeten berekenen die de paraffinekaarsvlam op 10 minuten produceert.
De warmtegeleidingscoëfficiënt van de klei kan dan berekend worden uit dit temperatuurverschil, het oppervlak van de kleinste zijkant van de klei balk. Aangezien we een tijdsonafhankelijke proef uitvoeren is enkel het temperatuurverschil over de afstand tussen de twee meetpunten van belang (we gebruiken enkel een tijdskader van 10 minuten om te weten hoeveel energie aan de klei afgestaan is).
Zoals bovenstaande aangehaald is het om de thermodynamische berekening van de Flux te kunnen uitvoeren nodig om de hoeveelheid energie (Watt) die toegevoegd werd aan de klei te kennen. Het gebruik van een paraffinekaars maakt dit niet eenvoudig. Ik heb volgende proefopstelling gemaakt om de geproduceerde warmte te kunnen afleiden. Deze proef wordt 3 maal herhaald en met het berekende gemiddelde van de opwarming in °C-temperatuurstijging op 10 min wordt verder gewerkt:
Een opengeknipt blikje frisdrank wordt gevuld met 100 gram water
Dit wordt met twee houten wasknijpers aan een houten stokje boven een paraffinekaars geplaatst
De temperatuur van het water wordt gemeten voor verwarming
Dan wordt met een chronometer gedurende exact 10 min verwarmd
De temperatuur van het water wordt gemeten na verwarming