Verbranden en verwarmen K6

Verbranden en verwarmen K6

Startpagina verbranden en verwarmen

In deze les ga je aan de slag met het examenonderdeel verbranden en verwarmen. In de eindexamensyllabus heet  dit onderdeel K/6

In ons boek zijn dat de hoofdstukken twee en drie.

Exameneisen verbranden en verwarmen

In het schema hiernaast kun je zien dat verbranden en verwarmen zeker onderdeel is van je centraal eindexamen. De syllabus vind je ook hier onder, ik heb daar uitgehaald wat niet voor ons (GT) is.

exameneisen K6 verbranden en verwarmen

Wat hiernaast staat moet je:

  • kennen (leren)
  • kunnen (oefenen)
  • kunnen uitleggen

 

Het eindexamen is geschreven op deze syllabus, het boek niet. Deze lijst is lijdend.

 

 

De formules onder heb je nodig bij dit examenonderdeel. Zorg ervoor dat je ze kent of dat je ze in Binas weet te vinden. Het eerste is een stuk slimmer.

Zorg ervoor dat je weet waar de grootheden voor staan. Bijv.: m staat voor massa, met als eenheid de kg.

Energie

Energiesoorten

Hoewel het steeds dezelfde energie is geven we die energie in verschillende situaties een andere naam. Voor alle energie soorten geldt: je kunt er iets mee doen.
1) Veerenergie: dit is de energie die voorwerpen hebben die kunnen veren en in gespannen toestand staan.
2) Stralingsenergie: dit is de energie die in straling zit. De meeste straling is trouwens pure energie.
3) Bewegingsenergie: dit is de energie die voorwerpen hebben die bewegen. Deze energiesoort wordt vaak kinetische energie genoemd.
4) Zwaarte energie: dit is de energie die voorwerpen hebben die kunnen vallen.
Je mag zelf bepalen waar je de zwaarteënergie nul noemt. Meestal is dit op de grond maar het kan bijvoorbeeld ook de bodem van een kuil zijn.
5) Elektrische energie: dit is de energie die voorwerpen hebben die elektrisch geladen zijn en waar dus elektrische spanning op staat.
6) Magnetische energie: dit is de energie die voorwerpen van ijzer, nikkel of kobalt hebben die zich in de buurt van een magneet bevinden. De magnetische energie wordt meer als de voorwerpen verder van de magneet af gaan.
7) Chemische energie: dit is de energie die opgeslagen zit in de moleculen van een stof. Bij chemische reacties komt deze energie vrij als warmte en stralingsenergie.
8) Kernenergie: dit is de energie die opgeslagen zit in de kernen van atomen. Bij kernreacties komt deze energie vrij als warmte en stralingsenergie.

Energie omzetten

Er bestaat een groot aantal energiesoorten. Energiesoorten kunnen in elkaar omgezet worden, sterker nog, energie kan niet ontstaan en niet verdwijnen.

Een dieselmotor, een elektrische oven, een luidspreker, een accu, een gloeilamp, een dynamo, een staafmixer, een cv-ketel, een vuurpijl, een windmolen en een zonnecel zijn heel verschillende 'apparaten'. Ze hebben echter een belangrijke overeenkomst: het zijn allemaal energie-omzetters. Ze nemen één soort energie op en geven daar een of meer andere soorten energie voor terug. Je bent zelf ook een energie-omzetter. Je hebt voedsel nodig om je lichaam van chemische energie te voorzien. Die chemische energie wordt door je lichaam omgezet in warmte - zo wordt je lichaamstemperatuur op 37 ºC gehouden  en in beweging. Als je een middag fanatiek sport, heb je na afloop veel zin in eten: de verbruikte chemische energie moet weer worden aangevuld. Je kunt een energie-omzetting weergeven in een energiestroomdiagram. ]n zo'n diagram is te zien welk soort energie de energie-omzetter opneemt, en welke soort(en) energie hij afgeeft. In de afbeelding hieronder is het diagram van een paneel zonnecellen getekend. Je ziet dat een zonnepaneel stralingsenergie omzet in elektrische energie en warmte.

Energie meten

Alle soorten energie worden gemeten in joule (J): van de energie in een batterij tot de energie in een pot pindakaas. Nu is 1 joule maar
een heel klein beetje energie. Voor alledaagse situaties wordt daarom meestal de kilojoule of de megajoule gebruikt:
- 1 kilojoule • 1 kJ• 1000 J • 103 J
- 1 megajoule = 1 MJ = 1 000 000 J = 106J

Energetisch vermogen

Veel energie-omzetters verbruiken per seconde steeds evenveel energie. Het scheerapparaat in de afbeelding  bijvoorbeeld verbruikt elke seconde 15 joule elektrische energie. Je zegt dan dat het scheerapparaat een opgenomen vermogen heeft van 15 watt (W). De watt is de eenheid van vermogen. 1 watt is per definitie gelijk aan 1 joule per seconde {1 W = 1 J/s).

Een volwassene die stil op een stoel zit, heeft een opgenomen vermogen van circa 75 W. Er is 75 joule per seconde nodig om de processen in zijn lichaam op gang te houden. Gaat hij daarna hardlopen, dan stijgt het vermogen tot circa 130 W. Op elektrische apparaten staat altijd hoe groot het opgenomen vermogen is. Als een apparaat verschillende standen heeft, wordt het vermogen in de hoogste stand vermeld. Een föhn van 1800 W bijvoorbeeld verbruikt 1800 joule per seconde, als je hem in de hoogste stand zet. Als je de temperatuur lager instelt, gaat het vermogen van de föhn ook naar beneden. Het opgenomen vermogen vertelt je hoeveel energie een energie-omzetter in één seconde verbruikt. Wil je het totale energieverbruik weten, dan vermenigvuldig je het vermogen met de tijd:  E = P x t

Het vermogen moet passen bij de functie van het apparaat, scheer je kin nooit met een grasmaaijer en maai je gras maar beter niet met een scheerapparaat.

Video uitleg: vermogen

uitleg vermogen

PowerPoint voorbeeld: Rekenen met vermogen

Hieronder de link naar een aantal PoWerpoint dia's met oefenopgaven rond het rekenen met vermogen. Je krijgt eerst een opgave die je kunt uitwerken, daarna volgen de dia's met de uitwerking. Veel succes.

Bewegingsenergie

Als voorwerpen bewegen bezitten ze bewegingsenergie, ook wel kinetische energie genoemd (Ek). Hoe harder een voorwerp gaat en hoe meer massa het voorwerp heeft, hoe meer Ek. De formule:

Waarin:

Ek de bewegingsenergie is in J

m de massa is in kg

V de snelheid is in m/s

Ik hoop dat je leest dat de snelheid een groter effect heeft op de bewegingsenergie (kwadraat) dan de massa (de helft). Verder zou op moeten vallen dat het hier om de massa en niet om gewicht gaat. In space bezitten voorwerpen ook bewegingsenergie, terwijl ze daar geen gewicht hebben.

video uitleg: bewegingsenergie

video uitleg: bewegingsenergie

Zwaarte energie

Een voorwerp op een hoogte bezit zwaarte-energie Ez. Hoe hoger het voorwerp, hoe meer Ez. Hoe meer gewicht (aantrekking door de aarde) hoe meer Ez. In space hebben voorwerpen geen zwaarte-energie. In formule:

Waarbij:

Ez de zwaarte-energie is in de eenheid Joule

m is de massa in kg

h is de hoogte in m

video uitleg: zwaarte-energie

Video uitleg zwaarte-energie

PoWerpoint uitwerking: oefenen met zwaarte-energie

Oefenen met zwaarte-energie en bewegingsenergie

Hier een paar pittige opgaven m.b.t. zwaarte- en bewegingsenergie.

mechanische energie

Bewegingsenergie en zwaarte-energie hebben een relatie met elkaar. Bij veel "apparaten" wordt de één omgezet in de ander en vaak weer terug. Bijv. bij een slinger van een klok of iemand op een schommel wordt voortdurend zwaarte-energie omgezet in bewegingsenergie en weer terug.

Is het kindje rechts in de uiterste stand, staat ze stil, Ez = maximaal, Ek = nul

Gaat het kindje door het laagste punt, gaat ze het hardst, Ez = nul, Ek = maximaal

In de afbeelding hieronder gaan twee mensen van een glijbaan. Boven op de glijbaan was de Ez = maximaal, Ek = nul

Gaan deze dames van de glijbaan af verliezen zij hoogte (Ez neemt af) en neemt hun snelheid toe (Ek neemt toe). Aan het einde van de glijbaan is de hoogte weg en de snelheid maximaal, Ez = nul, Ek = maximaal.

Wat de ene energiesoort verliest, neemt de ander toe en andersom.

Het totaal van Ez en Ek noemen we mechanische energie en die verandert niet in dit soort situaties.

 

Film met een pittige oefenopgave mechanische energie

In deze film heb ik de zogenaamde "glijbaan som" uitgewerkt. Iemand zit op een glijbaan en roetsjt naar beneden. Bereken de snelheid onderaan de glijbaan. Je kunt de film regelmatig stil zetten om jezelf aan (een deel van de) opgave te zetten. Veel succes.

De glijbaan som

examenopgave mechanische energie uitgewerkt

Verbrandingswarmte

Verbrandingswarmte

Bij het verbanden van brandstoffen komt de energiesoort warmte vrij. De eenheid van energie is de Joule. Een Joule is niet zo veel en dus wordt er vaak kilo(duizend) Joule en mega (miljoen) Joule gebruikt. Het maakt veel uit welke stof je verbrandt, zo komt er bijv. bij het verbranden van 1 liter benzine veel meer energie vrij dan bij 1 liter spiritus (alcohol). Zie de tabel onder.

Rekenen met verbrandingswarmte

Hieronder zie je vaste- vloeibare en gasvormige brandstoffen. Je kunt zien hoeveel MJ (mega Joule) energie er vrij komt bij de verbranding van 1 kg, 1 liter of 1 m3 van die stof.

Je kunt vragen verwachten zoals:

  • hoeveel Joule komt er vrij bij de verbranding van X kg hout
  • hoeveel Joule komt er vrij bij de verbranding van X liter benzine
  • hoeveel Joule komt er vrij bij de verbranding van X m3 aardgas

video uitleg: rekenen met verbrandingswarmte

Rekenen met verbrandingswarmte

Toets: verbrandingswarmte

Verbrandingsproducten

CO2 en H2O

Bij de verbranding van natuurlijke producten zoals alle aardolieproducten (plastics, benzine, kerosine, enz.), alcohol, hout, kaarvet, enz. onstaan altijd de stoffen water en koolstofdioxide. Vaak ontstaan er ook nog pure koolstof en koolstofmono-oxide.

Aantonen water en CO2

Water toon je aan mbv wit kopersulfaat dat dan blauw wordt, CO2 toon je aan mbv helder kalkwater dat dan troebel wordt.

 

video uitleg: aantonen van water

Filmpje: aantonen van water

Het versterkt broeikaseffect

Bij het verbranden van brandstoffen ontstaat het gas koolstofdioxide (CO2). Koolstofdioxide is net als zuurstof en stikstof een 'gewoon' bestanddeel van de atmosfeer, het is wel een belangrijk bestanddeel. Koolstofdioxide draagt eraan bij dat de atmosfeer werkt als een broeikas. Zonder dit natuurlijke broeikaseffect zouden er op aarde geen mensen kunnen leven.
Het broeikaseffect werk als volgt:
- De atmosfeer is doorzichtig, net als het glas van een kas. Het licht van de zon kan gemakkelijk de aarde bereiken en het aardoppervlak verwarmen.
- De warmte die zo ontstaat, kan niet gemakkelijk uit de atmosfeer ontsnappen; de atmosfeer houdt warmte vast. Hierdoor warmt het onderste deel van de atmosfeer op. Op zeeniveau is de lucht bijvoorbeeld veel warmer dan op 10 km hoogte. In de laatste tweehonderd à driehonderd jaar de mensen steeds grotere hoeveelheden brandstoffen gaan verbranden. Daardoor is de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer bijna anderhalf keer zo  groot geworden.

Kriek's uitleg: stel je voor je bent helemaal in plasticfolie gewikkeld (op je neusgaten en mond na) en je wordt belicht met een flinke lamp. Hoe warm zou je het krijgen?!

video uitleg: broeikaseffect

Uitleg broeikaseffect

Zure regen en smog

Bij het verbranden van brandstoffen ontstaan ook andere gassen. Sommige van die gassen zijn schadelijk voor het milieu. Zwaveldioxide (SO2) en stikstofoxiden (NOx) veroorzaken zure regen. Stikstofoxiden dragen bovendien bij aan het ontstaan van smog. Smog is een bruine nevel die 's zomers boven veel grote steden hangt. De stoffen in smog irriteren en beschadigen de slijmvliezen, ogen en luchtwegen. Dat merk je doordat je ogen gaan branden en je neus en keel geprikkeld worden. Je raakt bij ernstige smog ook snel buiten adem. Smog kan ernstige gevolgen hebben voor mensen met hartproblemen en longziekten, zoals astma. Het is mogelijk om de afvalgassen van elektriciteitscentrales schoner te maken. Zwaveldioxide kan bijvoorbeeld goed uit de afvalgassen gehaald worden. Dit kost wel veel extra energie en geld.

Verschil warmte en temperatuur

Warmte is een energiesoort, temperatuur is een maat voor de gemiddelde snelheid van moleculen ( de kleinste deeltjes van een stof met nog alle stofeigenschappen). Warmte en temperatuur zijn dus niet hetzelfde.

Voorbeelden:

Een zwembad met redelijk warm water bezit heel veel energie, vooral omdat het hier om veel water gaat.

Bij sterretjes is vooral de temperatuur hoog (1000 graden Celsius), toch hebben de sterretjes zelf weinig energie in zich opgeslagen omdat ze zo klein zijn.

 

 

video uitleg over het verschil tussen warmte en temperatuur

warmte vs temperatuur

Rekenen met vermogen en warmte

Er bestaat een verband tussen warmte (Q), vermogen (P) en tijd (t). Warmte heeft als energiesoort een eigen symbool gekregen, Q. Andere energiesoorten hebben als symbool meestal E. De formule hieronder geldt ook voor andere energiesoorten en dus kun je voor Q ook E invullen wanneer het niet om warmte gaat.

Q = P x t

De bijbehorende eenheden zijn:

Q   -   Joule

P   -   W (Watt)

t   -   s

 

 

video uitleg: rekenen met E = P x t (E is het algemene symbool voor energie, Q staat voor warmte)

E berekenen. E staat voor energie in het algemeen, waar Q staat voor de energiesoort warmte.

Voorbeeld rekenen met vermogen

probeer het eerst zelf..........

Uitwerking van "de waterkoker"

Toets: rekenen met vermogen

Toets: Toets: rekenen met vermogen

Start

Warmtetransport

Warmte kan zich verplaatsen. Dit kan op drie manieren:

  • geleiding: een aantal vaste stoffen kan warmte geleiden, deze stoffen heten dan geleiders.
  • stroming: vloeistoffen en gassen kunnen warmte transporteren door stroming
  • straling: voorwerpen kunnen hun warmte uitstralen, daar is geen transportmiddel voor nodig

geleiding

Alleen vaste stoffen kunnen geleiden, gassen en vloeistoffen dus niet.

Een aantal vaste stoffen kunnen warmte geleiden, zij heten geleiders. Voorbeelden daarvan zijn alle metalen.

Andere vaste stoffen geleiden geen warmte en heten isolatoren. Voorbeelden daarvan zijn hout, textiel en kunststoffen.

Zo is een pan van metaal en de handvatten van hot of kunststof. Op de linker foto houdt iemand een spijker in een vlam, niet met de hand maar met de tang. Je snapt waarom.

video uitleg: geleiding

warmtegeleiding

stroming

Voeistoffen en gassen kunnen bewegen. Dit bewegen heet stromen. Door deze stroming wordt warmte verplaatst. In het bekerglas hieronder bevindt zich water met wat kristallen kleurstof. De warmte komt onderaan binnen. Het water onderaan wordt warm en stijgt op. Het water in het bekerglas gaat stromen en daardoor komt de warmte overal in het water.

video uitleg: stroming

warmte transport door stroming

straling

Voorwerpen stralen warmte uit naar koudere plekken. Ook wij mensen stralen warmte uit. Als wij in een ruimte zijn met koude muren voelen we dat als onbehaagelijk. Voor deze vorm van warmtetransport is geen tussenstof nodig. De mensen op de foto bevinden zich in vrieskoude lucht maar hebben het toch behaagelijk vanwege de door de zon uitgestraalde warmte. De zon straalt licht uit en dit licht wordt eenmaal op deze mensen gevallen omgezet in warmte.

video uitleg: straling

warmte straling

Vraag over warmtetransport nr 1

Welke vorm van warmtetransport wordt hier tegengegeaan?

Uitwerking van wamtetransport vraag nr 1

Vraag over warmtetransport nr 2

Welke vorm van warmtetransport wordt hier tegengegeaan?

Uitwerking van wamtetransport vraag nr 2

Vraag over warmtetransport nr 3

Welke vorm van warmtetransport wordt hier tegengegeaan?

Uitwerking van wamtetransport vraag nr 3

de temperatuurschalen C en K

Een grootheid is een eigenschap die je kunt meten. Temperatuur is een grootheid die vaak gemeten wordt. Temperatuur kun je op verschillende manieren meten, o.a. met een thermometer. De thermometer hieronder bestaat uit een reservoir (opslagvat) met vloeistof (vroeger kwik, nu vaak alcohol met een kleurstof). Zodra de vloeistof opwarmt zet deze uit en stijgt het niveau. Bij afkoelen gebeurt het omgekeerde. De thermometer hieronder heeft geen maatverdeling.

Temperatuur is een maat voor de gemiddelde snelheid waarmee moleculen bewegen.

Celsius

Celsius maakte de maatverdeling van de thermometer door smeltend ijs op 0 graden Celsius te stellen en kokend water op 100 graden Celsius. Het lastige van de Celsius-schaal is dat temperatuur ook onder nul terecht kan komen. De koudste plek op aarde is zo'n -70ºC.

Kelvin

Celsius heeft zich dus gebaseerd op het smelt- en kookpunt van water. Kelvin heeft meer gekeken naar de beweging van moleculen. Hoe lager de temperatuur hoe langzamer de moleculen bewegen. Kelvin heeft ervoor gekozen zijn nulpunt te leggen daar waar de moleculen stil staan, kouder kan namenlijk niet. Hij noemde dat 0 K. Verder heeft hij de schaalverdeling van Celsius overgenomen, eigenlijk heeft hij de schaalverdeling van Celsius 273 graden omlaag geschoven. Bij -273 ºC staan de moleculen van de stoffen stil en daar ligt het absolute nulpunt, 0 K.

Toets Celsius <-----> Kelvin

Rendement

In de afbeelding hieronder zie je de energie·stroomdiagrammen van twee typen lampen. Een gloeilamp zet maar 5% van de elektrische energie die er in gaat om in licht; de rest wordt omgezet in warmte. Je zegt dat een gloeilamp een rendement heeft van 5%. Een spaarlamp doet het beter: die zet 25 % van de elektrische energie om in licht. Zo'n lamp heeft dus een rendement van 25%.

Rekenen met rendement

Rendement
Je kunt het rendement van een apparaat berekenen met de formule:

 

 

 

Die vreemde letter is een Griekse letter èta en staat dus voor rendement. Er is geen eenheid, wel het procent-teken.

Eaf is de hoeveelheid energie die wordt afgegeven, de nuttig gebruikte energie. Bij een spaarlamp is dat de hoeveelheid energie die wordt omgezet in licht. Eop is de hoeveelheid energie die in totaal wordt opgenomen. Bij een spaartamp is dat elektrische energie.

Populair gezegd: deel de energie die er nuttig uit komt door alle energie die er is ingegaan. Vermenigvuldig je uitkomst met 100 (gebruik geen %-toets) en schrijf achter je uitkomst het procent-teken.

Je krijgt natuurtijk ook een goede uitkomst, als je invult:
- hoeveel energie er per seconde wordt afgegeven;
- hoeveel energie er per seconde wordt opgenomen.
Met andere woorden: je kunt het rendement ook berekenen door het afgegeven vermogen te delen door het opgenomen vermogen.

video uitleg: rekenen met rendement

Rekenen met rendement

Voorbeeld opgave 1

Er gaat per seconde164 J electrische energie een gloeilamp in en er komt  per seconde 150 J warmte uit. Bereken het rendement van deze gloeilamp.............

probeer het eerst zelf

Uitwerking voorbeeld opgave 1

Er gaat per seconde164 J electrische energie een gloeilamp in en er komt  per seconde 150 J warmte uit. Bereken het rendement van deze gloeilamp.............

Een gloeilamp hoort licht te maken dus is hier de nuttige afgestane energie (Eaf) 164 - 150 = 24 J

Rendement = 24 / 164 * 100 = 14,6 %

Voorbeeld opgave 2

Een boer heeft een nestje biggen. Hij wil de biggetjes lekker warm houden en hangt een gloeilamp boven het nest. 

Er gaat per seconde164 J electrische energie de gloeilamp in en er komt  per seconde 150 J warmte uit. Bereken het rendement van deze gloeilamp.............

probeer het eerst zelf

Uitwerking voorbeeld opgave 2

Een boer heeft een nestje biggen. Hij wil de biggetjes lekker warm houden en hangt een gloeilamp boven het nest.

Er gaat per seconde164 J electrische energie de gloeilamp in en er komt  per seconde 150 J warmte uit. Bereken het rendement van deze gloeilamp.............

Een gloeilamp hoort IN DIT GEVAL warmte te maken dus is hier de nuttige afgestane energie (Eaf) 150 J

Rendement = 150 / 164 * 100 = 91,5 %

Zo zie je dat de aard van de toepassing het rendement bepaalt. M.a.w. een gloeilamp heeft een hoog rendement als hij voor warmteproductie wordt gebruikt. Voor het maken van licht is een gloeilamp niet zo slim.

Toets rendement

Eindtoets K6