Warmte dankt, als begrip, haar ontstaan aan de gewaarwording, die ons bij het aanraken van een voorwerp terstond het onderscheid tussen warm en koud duidelijk maakt. Intussen geeft de rechtstreekse aanraking slechts kwalitatieve resultaten, die met de uitwendige verhoudingen veranderen.
Een wetenschappelijk bruikbare maat levert echter de volumeverandering, die bij alle lichamen onder standvastige uitwendige druk tegelijk met de verwarming optreedt. Het meten en vergelijken van die veranderingen leidt tot de invoering van het begrip temperatuur. Voor een gelijke verwarming van gelijke hoeveelheden van verschillende stoffen is echter niet dezelfde hoeveelheid warmte nodig, een verschijnsel, dat tot het begrip soortelijke warmte voert. Het is de taak der calorimetrie [z calorimeter) de soortelijke warmte der stoffen te bepalen. Het meten van de warmtehoeveelheden eindelijk, die bij chemische processen vrijkomen of worden opgeslorpt, vormt het onderwerp van de thermochemie.
Volgens de oudere hypothese was de warmte een onweegbare stof, een fluïdum, die zich met de weegbare stof kon verbinden en overvloeien van het ene lichaam naar een andere, waardoor de temperatuur van dit laatste steeg. Hoewel uit de proeven van Rumford (1798) en Davy (1799) bleek, dat twee lichamen door onderlinge wrijving beide warmer worden terwijl de genoemde theorie zou eisen, dat het ene warmer, het andere kouder werd, duurde het nog tot het midden der 19de eeuw, voordat de warmtestoftheorie werd opgegeven. In overeenstemming met het feit, dat door het verrichten van arbeid er warmte kan ontstaan en omgekeerd warmte kan worden omgezet in arbeid, beschouwt de mechanische warmtetheorie de warmte als een vorm van arbeidsvermogen en wel als arbeidsvermogen der moleculen en atomen. Volgens deze theorie hangt de temperatuur uitsluitend af van het gemiddelde arbeidsvermogen van beweging der moleculen; bij hogere temperatuur bewegen deze zich sneller dan bij lagere. In het algemeen zal de warmte, die aan een lichaam wordt toegevoegd, dienen
1. om het arbeidsvermogen van beweging der moleculen te vergroten, de temperatuur stijgt;
2. om de moleculen en atomen op onderling grotere afstand te brengen, het inwendig arbeidsvermogen van plaats neemt toe;
3. om uitwendige arbeid te verrichten, de stof zet uit tegen de werking van uitwendige krachten in. Bij isotherme processen is de eerste term nul, bij het smelten is ook de derde term te verwaarlozen. De derde term is alleen van betekenis bij de verwarming van gassen en bij het overvoeren van een vloeistof in een damp.
Men zou dan de totale hoeveelheid warmte van een lichaam gelijk kunnen stellen aan de inwendige energie (; energie), die uit de genoemde kinetische en potentiële energie van de moleculen is opgebouwd. Verhoogt men de temperatuur, dan zullen bij gassen de moleculen zich sneller gaan bewegen, en ook, indien zij uit meer atomen bestaan, sneller gaan roteren en trillen. Vergroting van de afstand der moleculen van elkaar, zoals bij uitzetting gebeurt, behoeft niet met temperatuurverhoging gepaard te gaan, de toegevoerde warmte zal dan voor de uitwendige arbeid zorgen en voor de vergroting van de inwendige potentiële energie. Geheel anders ligt de situatie bij vaste stoffen. Deze bestaan vrijwel altijd uit kristallen; een kristal nu kan als een groot molecuul worden beschouwd. Bij verwarming kunnen de samenstellende atomen alleen maar heftiger gaan trillen t.o.v. elkaar, waarbij dus de kinetische en potentiële energie gelijkelijk toenemen.
Vloeistoffen nemen een middenpositie tussen vaste stoffen en gassen in, men kan ze opvatten als zeer gecomprimeerde gassen en ook als kristallen waarvan de rangschikking der atomen min of meer wanordelijk is geworden. De centrale wet in dit gehele gebied is de wet der aequipartitie (z kinetische theorie). Deze beweert o.a.:
De kinetische energie van een molecuul, die bij de voortgaande beweging behoort, neemt evenredig toe met de absolute temperatuur, en voor de trillingsenergie en rotatie-energie geldt hetzelfde. Hieruit volgt o.a. het gezegde over kristallen, de potentiële en kinetische energie nemen bij verwarming met dezelfde bedragen toe. De wet blijkt echter alleen voor hoge temperaturen te gelden: koelt men een gas af, dan sterven eerst de trillingen uit, dan de rotaties, zodat bij lage temperatuur de moleculen zich alleen nog maar rechtlijnig voortbewegen. Dit is verklaard door de quantumtheorie. Nemen wij als voorbeeld de trillingsenergie. Deze trillingen kunnen slechts energie opnemen in bepaalde hoeveelheden, quanta.
Denkt men zich nu een gas, waarvan geen enkel molecuul trilt, dan zou men verwachten, dat deze moleculen aan het trillen worden gebracht door de botsingen met andere moleculen, en deze botsingen zijn des te heviger, naarmate de temperatuur hoger is. Men zou dus dan hogere trillingsenergie verwachten en dat is juist, wat de aequipartitie-wet beweert. Maar in werkelijkheid zijn bij lage temperatuur de stoten niet hevig genoeg, om de benodigde quanta te leveren, en de moleculen zullen dus niet tot trillen worden gebracht. Op deze wijze kan men de soortelijke warmte van gassen en vaste stoffen berekenen.
Terugkerende tot de inwendige energie moet worden opgemerkt, dat men in de techniek liever de enthalpie gebruikt, d.i. de inwendige energie vermeerderd met het product van volume en druk (alles in c.g.s. eenheden of in een ander samenhangend stelsel). Bij processen bij constante druk (isobare processen) en in veel andere gevallen is deze functie nuttig.
Gaan wij nu over tot de indeling van de warmteleer, dan kan men naast de genoemde calorimetrie de opsomming van die eigenschappen van lichamen noemen, die direct met de temperatuur te maken hebben, uitzetting, smelten en verdampen. Het gedrag van een stof onder verandering van druk en temperatuur wordt uitgedrukt in een toestandsvergelijking (z gassen en dampen). Ook chemische processen kunnen hierbij worden gerekend. Tegenover deze experimentele warmteleer staat nu de boven genoemde kinetische theorie. Zij tracht de toestandsvergelijking te verklaren, verder capillariteit, viscositeit, warmtegeleidingsvermogen, diffusie, verdamping etc. Haar uitbreiding vindt zij in de statistische mechanica.
Als derde onderdeel noemen wij de thermodynamica, die zonder verklaring zoveel mogelijk wil afleiden uit een paar grondwetten. Ook de warmtestraling (z straling) behoort hierbij. De inwendige energie is hier de energie van de electromagnetische golven, die de straling bevat. Daarentegen worden verschijnselen, die een verband leggen tussen warmte en electrische en magnetische verschijnselen (thermo-electrische en thermomagnetische verschijnselen) meestal niet onder de warmteleer opgenomen.
DR J. BOUMAN
Lit.: Ph. Kohnstamm, Warmteleer (2de dr., Amsterdam 1921); E. C. Wiersma, Warmteleer (2de dr., Den Haag 1944); A. G. Worthing en D.
Holliday, Heat (New York-London !94Ö); J. K. Roberts, Heat and Thermodynamics (London-Glasgow 1928); J. H. Jeans, The Dynamical Theory of Gases (4de dr. Cambridge 1925); F- Seitz, The Modern Theory of Solids (New York-London 1940); J.
F renkei, Kinetic Theory of Liquids (Oxford 1946); H. S. Green, Molecular theory of Fluids (Amsterdam 1952); en verder de lit. bij thermodynamica, en statistische mechanica.
