[2014]
[Samenvatting Energie] [NATUURKUNDE – 3 VWO – HOOFDSTUK 4 WESLEY VOS
0
Paragraaf 1 – Energie omzetten Energiesoorten
Elektrisch energie --> stroom Warmte --> vb. de centrale verwarming Bewegingsenergie (ook wel kinetische energie) --> energie van beweging Zwaarte-energie --> Energie per voorwerp dat boven of onder het nulpunt ligt Stralingsenergie --> vb. licht Chemische energie --> de warmte uit bijv. aardgas en steenkool
De grootheid van energie is E. De eenheid van alle energiesoorten is Joule --> J. Energie wordt geleverd door een energiebron. Een energiebron bezit of genereert energie. De energiebron is in drie groepen onder te verdelen. Fossiele brandstoffen --> raken een keer op o Aardgas o Steenkool o Hout Duurzame brandstoffen --> onuitputtelijk o Zon o Wind Overig o Batterijen Door middel van een energiestroomdiagram kan je weergeven hoeveel ingaande energie wordt omgezet in één of meerdere soorten energie en hoeveel energie dit ongeveer is. De hoeveelheid energie voor de omzetting is altijd gelijk aan de hoeveelheid na de omzetting --> de wet van behoud van energie. Zie voorbeeld op pagina 73 van het tekstboek. Hierin zie je dat van alle ingaande energie bijna 95% omgezet wordt naar warmte en maar een heel klein gedeelte naar licht. De energie voor een energie omzetting (die van een gloeilamp) is energie van een hoge kwaliteit omdat je er veel mee kan doen. Denk maar aan elektrische energie, je kan er een telefoon mee opladen, een tv door laten werken enz. . Na de omzetting in het voorbeeldje van de gloeilamp ontstaat heel veel warmte en maar een beetje licht. Met die warmte kan je geen andere apparaten laten werken maar met die energie die je voor de omzetting had wel. 1 Watt = 1 Joule per seconde 1 W = 1 J/s 1 kWh = 1000 W per uur = 1000 J per 3600 seconden = 3.600.000 J = 3,6 MJ
Paragraaf 2 – Soortelijke warmte Je kan de hoeveelheid verbruikte energie uitrekenen met de formule:
E= P · t o E= energie in Joule o P= Vermogen in Joule o t= tijd in seconden
Vb. --> Een waterkoker met een vermogen van 2200 W staat 12 minuten aan. o P= 2200 W = 2200 J/s o t = 12 x 60 = 720 s o E= 2200 x 720 = 1548000 J = 1,548 MJ
Soortelijke warmte De soortelijke warmte is de hoeveelheid energie (warmte) die nodig is om 1 kg van een bepaalde stof 1 K te doen laten stijgen. De soortelijke warmte heeft de grootheid c en de eenheid J kg-1 K-1 ( de hoeveelheid J per kg per Kelvin). De soortelijke warmte van de stoffen staan in de BINAS op tabel 8 t/m 12.
De formule waarmee de hoeveelheid benodigde warmte te berekenen is, is --> o Q= m · c · ΔT
Q= Energie in Joule
m = massa in kg
c= soortelijke warmte in J/ kg · K
(J kg-1 K-1)
Aantal Joule per kg per Kelvin.
ΔT = verschil in temperatuur in Kelvin
o Vb. --> Tim verwarmt 1,5 liter water van 20° C naar 100°C met een dompelaar (verwarmingselement) van 1500 W. Bereken hoelang het duurt.
Q=m
V
water=
m
water
water
·c
water
· ΔT
water
1,5 l = 1,5 dm3 = 0,0015 m3
= ρ
water
water=
·V
water
(ρ = m / V)
ρ
0,9982 x 103 kg per m3
V= 0,0015 m3
0,9982 x 103 x 0,0015 ≈ 1,5 kg
m
Δt= 100 °C – 20 °C= 80 °C
ΔT= 80 K
c
Q= 1,5 · 4,18 x 103 · 80 = 501600 J = 501,6 kJ
water
water
≈ 1,5 kg
= 4,18 x 103
o E=P·t o t=E/P
E= 501600 J
P= 1500 W = 1500 J/s
t = 501600 / 1500 ≈ 334,4 seconden
o t ≈ 334,4 seconden
Paragraaf 3 – Rendement en chemische energie Om warmte te produceren kan je brandstof verbranden. Bijv. kaarsvet, aardgas en steenkool. Er wordt chemische energie (Ech) omgezet naar warmte. Ech --> Q. Elke brandstof heeft zijn eigen verbrandingswarmte --> de hoeveelheid energie die de stof oplevert per kg of m3. De hoeveelheid chemische energie je krijgt door een brandstof te verbranden kan je berekenen met de formule --> Ech = rm · m als de brandstof een vaste stof is en Ech= rv · V als de brandstof een vloeistof of gas is. Zie voor de verbrandingswarmte (rm of rv) tabel 28B van de BINAS --> stookwaarden. Het rendement is de verhouding tussen de toegevoegde energie en de nuttig E
gebruikte energie. De formule voor het rendement is η = Enut op De hoeveelheid nuttig gebruikte energie (omgezet naar de benodigde energie --> Enut) delen door de totaal toegevoegde energie (alles wat er in gegaan is --> Eop) is het rendement van een energieomzetter.
Vb. --> Een geiser verbrandt 3,0 m3 aardgas (gronings) per uur. De geiser warmt daarmee 12 l water 80 K op. Bereken het rendement van de geiser. E m · c · ΔT 11,9784 · 4180 · 80 η = nut = = ≈ 0,16 Eop rv · V 32000000 · 0,8 Als je de volledige berekening van E
nut
wil weten app me dan even.
Het rendement van bovenstaande geiser is ongeveer 0,16 (=16%). Dat betekent dat 16% van de ingaande energie wordt omgezet naar warmte voor het opwarmen van het water.
Paragraaf 4 – Elektriciteit opwekken Elektriciteitscentrale De in Nederland opgewekte energie komt het meeste uit elektriciteitscentrales. Deze werken op fossiele brandstoffen en leveren veel vervuiling. Werking elektriciteitscentrale De werking van een elektriciteitscentrale: 1. Branders verwarmen de fossiele brandstof --> steenkool, gas, olie 2. De vrijgekomen warmte verwarmt een ketel met water --> er ontstaat waterdamp onder een zeer hoge druk. 3. Waterdamp spuit tegen de schoepen van een turbine --> turbine as gaat ronddraaien. 4. As van de turbine laat een generator draaien --> generator wekt stroom op 5. Stoom van stap 2. en 3. wordt naar een condensator gepompt waar het water afkoelt. Daarna gaat het weer in de ketel. En gebeurt het verwarmen weer opnieuw. In de condensator zit koelwater van rivieren of meren, als die niet in de buurt aanwezig zijn wordt het koelwater gekoeld in koeltorens. Rendement van een elektriciteitscentrale Het rendement van een elektriciteitscentrale is ongeveer 40%. 40% Van de ingaande fossiele brandstoffen wordt omgezet naar elektrische energie. Die andere 60% is vooral warmte die het water opneemt. Dit kan je wel hergebruiken namelijk voor de radiatoren in woningen. Dit gebeurt steeds meer --> warmtekoppeling waardoor het rendement van zo’n elektriciteitscentrale veel hoger wordt. Fossiele brandstoffen Om een elektriciteitscentrale te laten werken heb een brandstof nodig. Vaak zijn dit fossiele brandstoffen. Waarom fossiele brandstoffen? --> omdat de energiedichtheid (de hoeveelheid energie die 1 kg produceert) heel hoog is van fossiele brandstoffen. Ook worden er wel houtsnippers gebruik al dan niet vermengd met fossiele brandstoffen.
Kernbrandstoffen Behalve fossiele brandstoffen kan je ook uranium laten splijten (kernreactie) waardoor warmte ontstaat die een ketel opwarmt --> en verder net zo als een elektriciteitscentrale. Alleen het afval wat ontstaat door die splijting is zeer radioactief en moet eerst lang worden opgeslagen. In Nederland is het percentage kernenergie heel laag terwijl dit in Frankrijk bijv. 70% is. Duurzaam Als je geen gebruik wilt maken van fossiele- of kernbrandstoffen kan je ook de wind, het water of de zon gebruiken. Deze vormen van energie kosten niks, zijn direct beschikbaar en raken niet op, alleen is het opwekken van energie d.m.v. deze energievormen wel heel duur. Wind Een windmolen produceert energie doordat de wind een turbine laat draaien welke weer een as laat draaien die gekoppeld is aan een generator die dan stroom opwekt. Het levert ten opzichte van de grote conventionele elektriciteitscentrales relatief weinig stroom op. Waterkracht Water levert ook energie op namelijk in een waterkrachtcentrale. Hier wordt de zwaarte-energie van water gebruikt om een turbine te laten draaien die d.m.v. een as gekoppeld is aan een generator die stroom produceert. Het opgewekte vermogen is afhankelijk van het verval (het hoogte verschil --> hoe hoger, hoe meer energie) en het debiet (hoeveelheid water per seconde door de centrale --> hoe meer, hoe meer energie). In Nederland leverde de waterkrachtcentrales genoeg stroom voor ongeveer 30.000 huishoudens. Zonlicht De zonnestralen vallen op een paneel met zonnecelen. Die zonnecellen bestaan uit twee lagen silicium. Door het zonlicht springen elektronen van de ene laag naar de andere laag waardoor er een spanning ontstaat. Dit heet fotovoltaïsche omzetting en dit levert energie op.
Paragraaf 5 – Energie in voedsel Je lichaamstemperatuur is ongeveer 37 °C, bij deze temperatuur verbrand je lichaam brandstof om op temperatuur te blijven. Je lichaam zet chemische energie uit eten om in warmte. De verbranding in je lichaam gebeurt langzaam en zonder vuur. Om een etiket van eten staat de energiewaarde vermeld --> de hoeveelheid energie die 100 ml of 100 mg bevat. Behalve voor warmte wordt er ook chemische energie omgezet om te kunnen bewegen. Hoe meer je je inspant/ beweegt, des te meer energie je nodig hebt. De energiebehoefte is afhankelijk van je geslacht en je leeftijd. (weet ik niet zeker.
Formules hoofdstuk 4 – warmteleer E=P·t (/ is delen door) P= E/t t E/P E= energie in Joule P= vermogen in Joule t= tijd in seconden Q= m · c · ΔT (/ = delen door) m= Q/ c · ΔT c= Q/ m · ΔT ΔT= Q/ m · c Q= warmte in Joule m = massa in kg c= soortelijke warmte in J kg-1 K-1 ΔT= verschil in temperatuur in Kelvin (in °C is Δt (kleine t)!!!!!) Ech = rv · V (gassen of vloeistoffen) Ech = rm · m (vaste stoffen)
Tabellen BINAS
Grootheden en eenheden (als je het even niet meer weet) --> tabel 4 en 5 Dichtheid (ρ) en soortelijke warmte (c) van een stof --> tabel 8 t/m 12 Alle formules warmteleer --> tabel 35 C4
Succes met leren! Als je nog een vraag hebt over iets app me dan even. Tip: Plaats plakkertjes (post-it) bij de bladzijden zodat je ze makkelijk kan terugvinden --> tijdswinst. Alles noteren in grootheden en eenheden, formules opschrijven en met significantie en in standaardvorm --> eind antwoord.
