Introductie
Je hebt in de quest 'Door weer en wind' kunnen leren dat natuurkunde heel veel met het weer te maken heeft en daardoor ook van alles te maken heeft met het dagelijks leven. In deze quest gaan we proberen te begrijpen hoe dat weersysteem nu eigenlijk werkt. Daarvoor moeten we iets weten over luchtdruk, dichtheid, temperatuur, warmte en faseovergangen. Maar eigenlijk ook iets over elektriciteit, licht en geluid. Maar dat komt later.
In deze quest(s) zul je zien dat het weer werkt als een soort natuurlijke centrale verwarming (cv) en dat de oceaan daar ook een belangrijke rol bij speelt. Dan leer je ondertussen ook iets meer over hoe een cv eigenlijk werkt. Verder bekijken we wat dat te maken heeft met het broeikaseffect en leren we wat onweer is. Dat laatste vormt een verbinding met andere quests; over elektriciteit, licht en geluid.
Laten we aan de slag gaan. Dat kan op twee manieren:
- volg de onderstaande quests
- of bestudeer eerst de hoofdstukken 2 en 6 van NOVA NASK1 kgt 3 en hoofdstukken 3 en 7 (paragraaf 1-2) van NOVA NASK1 kgt 4 (voor mavo-leerlingen met een licentie daarvoor in Magister) en bekijk daarna de onderstaande quests en het aanvullende materiaal dat daarin genoemd wordt.
Als er practica worden genoemd, maak dan een afspraak met mij.
Voor wie geen licentie heeft: dan kun je toch deze quests wel doen, maar dan zonder de hoofdstukken en opgaven van NOVA. Dan kun je bijvoorbeeld per (deel)quest een documentje of een keynote maken over wat je geleerd hebt en dat in Seesaw plaatsen.
Veel plezier en veel succes!
Begeleiding Heb je een vraag, ik help je graag!
Tijdbesteding
(afgezien van mavo 3 leerlingen met natuurkunde in het pakket kun je ook afzonderlijke deelquests van deze quest maken; die duren niet zo lang)
Mate van vrijheid
Egodact
Leerspier
Alle leerspieren
Routeplanner
Planning
| Tijd |
Onderdelen |
|
|
|
|
Motivatiemotor
|
Passie uitoefenen
|
Naar een doel streven
|
Nieuwsgierigheid
|
Iets totaal nieuws leren
|
| "Ondernemen is echt mijn ding." |
"Ik wil anderen verder helpen." |
"Wat als we iedereen inclusieve financiering zouden kunnen bieden?" |
"Ik wil weten wat microkredieten betekenen." |
Zet in 
Seesaw welke van deze vier pijlers jou het meest motiveert om deze quest tot een goed einde te brengen en waarom. Plaats je blog in het mapje Economie en geef het de naam: MM Day for Change
Verderkijker
Reis(blog)
Luchtdruk
Wat is dat, luchtdruk? En wat is lucht eigenlijk?
Meestal zijn we ons niet bewust van de lucht om ons heen, net zo als een vis zich niet bewust is van het water waarin hij zwemt. Dat is er immers altijd? En dan valt het niet meer op. Maar ook al denken we dat soms, lucht is niet niets (weet je nog hoe het 'niets' of het luchtledig ook wel wordt genoemd?).
En omdat lucht 'iets' is, heeft het ook gewicht. Dat heeft met de zwaartekracht te maken (daarover leer je meer in een andere quest). Dat gewicht merken wij als druk; luchtdruk.
Boven ons hoofd is een kolom aan lucht van meer dan 10 kilometer hoog. Als we kijken naar een vierkante kolom lucht van een meter bij een meter (een vierkante meter dus), dan weegt die kolom ongeveer 10.000 kg.
(Later zul je leren dat we een gewicht in de natuurkunde eigenlijk niet in kg meten maar in newton (N); kg geeft aan hoeveel massa iets heeft; gewicht is een kracht die door een massa wordt uitgeoefend op een ondersteunend oppervlak of iets waaraan die massa hangt; dat komt door de zwaartekracht die op die massa werkt; 1 kg weegt op aarde ongeveer 10 N).
Hoe hoog moet een kolom water van 1 bij 1 meter zijn om hetzelfde gewicht te krijgen? (reken dat uit als je weet dat 1 L water 1 kg 'weegt' en dat 1 L hetzelfde is als 1 kubieke decimeter (dm3); hoeveel kubieke decimeters gaan er in een kubieke meter?).
Dat enorme gewicht van 10.000 kg per vierkante meter (m2) van die kolom lucht noemen we de luchtdruk. Die drukt overal op ons lijf. Ons lijf heeft een oppervlakte van ongeveer 2 m2 (voor een volwassene). Ons lijf 'draagt' dus een gewicht van ongeveer 20.000 kg (ga maar na).
Dat is een enorme druk. Die geven we ook wel aan als 1 atmosfeer. Hoe groot die druk is, kun je merken aan de Maagdenburger halve bollen:
https://www.youtube.com/watch?v=35RPV_XARos
https://www.youtube.com/watch?v=3A9jj54fwmE
Toch voelen we die enorme druk niet. Dat komt doordat we eraan gewend zijn. En dat grote gewicht of die grote druk plet ons niet, omdat in onze lichaamscellen dezelfde druk heerst. Die celdruk drukt als het ware naar buiten. Luchtdruk en celdruk houden elkaar zo in evenwicht.
Wat gebeurt er nu als je bovenop een hoge berg staat? Of in een vliegtuig zit dat op een hoogte van 10 kilometer vliegt?
(Een heleboel hiervan heb je kunnen ontdekken in de quest / BloX 'Daar zit een luchtje aan'. Kijk daar nog maar eens naar als je het niet meer precies weet.)
Voor 3 mavo met een NOVA-licentie: bestudeer nu paragraaf 2.2 van NOVA NASK1 kgt 3 en maak de opgaven van die paragraaf.
Temperatuur en het deeltjesmodel
Wat bedoelen we als we zeggen dat iets warm is?
Wat de een warm noemt, vindt de ander koud. En ongekeerd. Maar het gaat nog verder. Soms noemen we één en het zelfde zowel warm als koud.
Neem maar eens drie bakken met water; de linker heet water (maar zo dat je je hand er nog in kunt steken), de middelste lauw water en de rechter koud water (zo koud mogelijk). Doe dan je linker hand in het hete water en je rechter hand in het koude water. Laat ze daar even tot ze aan de temperatuur van het water gewend zijn. Steek dan beide handen in de middelste bak. Wat merk je op?
Warm en koud zijn dus relatieve begrippen. Daarom gebruiken we ze in de natuurkunde eigenlijk niet. Want als je zegt dat iets warm is, weten we dus eigenlijk nog niets. Daarom gebruiken we het begrip temperatuur. Temperatuur is wat wordt aangegeven door een thermometer. Die thermometer geeft de temperatuur aan in graden. Die thermometer moet wel eerst geijkt worden. Daarmee bedoelen we dat we afspreken wat we nul graden noemen en wat we bijvoorbeeld honderd graden noemen. Meneer Celsius heeft ooit bedacht dat we de temperatuur van smeltend ijs nul graden noemen en de temperatuur van kokend water honderd graden. Dat noemen we daarom de temperatuurschaal van Celsius. Water kookt dus bij honderd graad Celsius. Dat geven we aan als 100 0C.
Zo zijn er ook nog andere temperatuurschalen. Meneer Fahrenheit nam de lichaamstemperatuur van een mens en de temperatuur van smeltend ijs en verdeelde het verschil daartussen in 64 stukjes. Die stukjes noemen we daarom graden Fahrenheit (0F). Maar om te voorkomen dat veelvoorkomede temperaturen die lager zijn dan die van smeltend ijs onder nul zouden komen, telde hij overal 32 graden bij op. De lichaamstemperatuur van een mens is dus 96 0F (64 + 32).
Meneer Kelvin nam de temperatuurschaal van Celsius over, maar telde er 273 bij op. Dat is omdat -273 0C het absolute nulpunt van temperatuur is. Een lagere temperatuur bestaat niet. Kelvin nam dus dat absolute nulpunt als nulpunt voor zijn temperatuurschaal. 20 0C is dus 293 Kelvin (20 + 273). Dat geven we aan als 293 K (let op: bij Kelvin zeggen we niet 'graden' erbij en zetten we niet het tekentje 0 ervoor).
Maar wat meet die temperatuur nu eigenlijk? Eigenlijk geeft de temperatuur van een stof (een vaste stof zoals een stuk ijzer, een vloeistof zoals water of een gas zoals lucht) aan hoe hard de deeltjes in die stof bewegen.
Elke stof bestaat uit een heleboel kleine deeltjes. Die noemen we molekulen of atomen (wat het verschil is, komen we later nog wel tegen). En al die deeltjes bewegen door elkaar. Hoe sneller ze bewegen, hoe hoger de temperatuur. En bij het absolute nulpunt (0 K of -273 0C) staan al die deeltjes dus volledig stil. Daarom kan de temperatuur ook niet verder dalen. Want stiller dan stil is niet mogelijk.
Voor 3 vmbo en mavo met een NOVA-licentie: bestudeer nu de paragrafen 2.3 en 2.1 van NOVA NASK1 kgt 3 en maak de opgaven daarvan.
Dichtheid en moleculen
Opstijgende warme lucht
Je weet waarschijnlijk wel dat warme lucht altijd opstijgt. Datzelfde geldt in een vloeistof zoals water. Dat kun je zien als je water gaat koken. Als het water warmer wordt, maar nog niet kookt, kun je soms zien dat het water een beetje stroomt, van beneden naar boven. Dat is het verwarmde water dat naar boven beweegt. Als het naar boven gaat, koelt het weer een beetje af en zakt op een andere plek dan weer naar beneden.
(Tegelijk zie je kleine belletjes ontstaan. Dat is lucht die opgelost zat in het water en er uitkomt als het water warmer wordt. En als het water kookt, zie je grote bellen. Dat is waterdamp. daar komen we later op terug.)
Maar hoe komt dat nou, dat warme lucht of warm water opstijgt? Wordt het dan lichter? Ja en nee. Het heeft met dichtheid te maken. En dat heeft weer te maken met de moleculen of atomen die we hiervóór al tegenkwamen. Hoe zit dat?
Massa, volume en dichtheid
Wat is zwaarder, een kilo lood of een kilo veren? Die kende je al, toch. Ze zijn allebei even zwaar. Maar wat is het verschil? Een kilo lood is maar een klein bolletje, terwijl een kilo veren een enorme zak vol is. We zeggen dan in de natuurkunde dat dezelfde hoeveelheid kilogrammen van de ene stof (lood) een veel kleiner aantal liters is dan diezelfde hoeveelheid kilogrammen van een andere stof (veren in dit geval). Dat aantal kilogrammen noemen we de massa van die hoeveelheid stof, het aantal liters noemen we het volume. Een kilo lood heeft dus dezelfde massa als een kilo veren, maar een veel kleiner volume. En omgekeerd heeft een liter veren een veel kleinere massa dan een liter lood.
We kunnen dan ook zeggen: de dichtheid van veren is veel kleiner dan de dichtheid van lood.
Dichtheid staat dus voor het aantal kilogrammen van een stof per liter van die stof. We kunnen ook zeggen: dichtheid is de massa (in kg) van een volume van 1L van die stof. Of: dichtheid is de massa per eenheid van volume (want dat is de liter). Of ook:
dichtheid is massa gedeeld door volume: dichtheid = massa / volume.
En dichtheid geef je dus aan in kg/L (of kg/m3 of g/cm3).
Het verschil tussen massa en volume
Hoe zit dat nou? Want zowel massa als volume zegt iets over hoeveel we van een stof hebben. Maar er is een groot verschil.
We zagen al, elke stof bestaat uit deeltjes; molekulen of atomen (het verschil ontdekken we later wel). En elk deeltje (molekuul of atoom) van een stof heeft een vaste massa die kenmerkend is voor de deeltjes van die stof. De massa van een stof geeft dus eigenlijk aan hoeveel van die deeltjes er in die hoeveelheid stof zitten.
Wat geeft het volume dan aan? Het volume geeft eigenlijk aan hoe ver die deeltjes van elkaar zitten. En dus hoeveel ruimte een aantal van die deeltjes gezamenlijk innemen.
Nog een keer opstijgende warme lucht
Wat heeft dat nu met opstijgende warme lucht te maken?
Als een stof warmer wordt, zet deze een beetje uit (dat zien we ook in de volgende quest). Dat betekent dus dat het volume wat groter wordt, terwijl het dezelfde hoeveelheid kilogrammen stof massa) blijft. De dichtheid neemt dus af (denk even na of je dat snapt). Hoe komt dat?
We zagen al dat de temperatuur aangeeft hoe snel de deeltjes van een stof bewegen. Hoe warmer de stof wordt, hoe sneller ze bewegen. Maar daardoor botsen ze harder tegen elkaar. Daardoor drukken ze elkaar een beetje uit elkaar. En daardoor neemt het volume toe. Omdat de massa (de hoeveelheid kilogrammen en het aantal deeltjes) hetzelfde blijft, wordt de dichtheid dus kleiner (denk daar even over na).
We kunnen ook zeggen: hetzelfde volume van die stof heeft dan wat minder massa (snap je dat?). Ofwel: hetzelfde volume van die stof wordt wat lichter. En wat lichter is, wil naar boven. Of eigenlijk: wat zwaarder is wordt harder naar beneden getrokken door de zwaartekracht.
Het is dus eigenlijk niet zo dat warmere lucht (of warmer water) naar boven wil. Want warme lucht heeft nog steeds gewicht. En alles wat gewicht heeft, wordt door de zwaartekracht naar beneden getrokken (het 'valt', zeggen we dan). Maar koudere lucht (of kouder water) wordt harder naar beneden getrokken dan warmere lucht (of water) en duwt de warmere lucht (of water) aan de kant. Die kan dan nergens anders heen dan omhoog.
Dit was veel tekst. Als je het nog niet snapt, dan geeft dat niet.
Voor 3 mavo met een NOVA-licentie: bestudeer nu paragraaf 2.1 van NOVA NASK1 kgt en maak de opgaven. Bekijk ook in deel 3 Vaardigheden 6. En lees daarna deze tekst nog eens door. Dan snap je het vast beter.
Faseovergangen
Fasen en faseovergangen
Je weet natuurlijk dat er vaste stoffen zijn. En vloeistoffen en gassen. Die kwamen we al tegen toen we warmtetransport bekeken en bespraken dat verschillende vormen van warmtetransport kunnen optreden in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen (en vacuüm).
Elke stof kan in de vorm van een vaste stof, een vloestof of een gas voorkomen. Maar niet bij dezelfde temperatuur. Van water kennen we dat. Water als vaste stof kennen we als ijs. Als vloestof noemen we het gewoon water. En als gas noemen we het waterdamp. Beneden de 0 0C is water ijs (meestal), tussen de 0 en de 100 0C water en boven de 100 0C waterdamp.
Die verschillende vormen waarin een stof kan voorkomen, noemen we verschillende fasen van die stof. De overgangen daartussen noemen we faseovergangen. Van vaste stof naar vloeistof noemen we smelten (bij water spreken we dan ook wel van dooien); het omgekeerde heet stollen (bij water noemen we dat bevriezen). Van vloeistof naar de gasvorm noemen we verdampen; het omgekeerde condenseren.
Een vaste stof kan ook direct in de gasvorm overgaan. Dat noemen we sublimeren. Het omgekeerde heet rijpen.
Faseovergangen en het deeltjesmodel
Hoe ontstaan die faseovergangen nu? Je weet al dat elke stof uitzet als deze warmer wordt. Dat geldt net zo goed voor vloeistoffen en gassen als voor vaste stoffen. Je weet inmiddels ook dat dat komt doordat de deeltjes in de stof harder gaan bewegen en botsen, waardoor ze elkaar uit elkaar drukken. Maar al die deeltjes trekken elkaar ook een beetje aan. Daardoor blijf een vaste stof een vaste stof en een vloeistof een vloeistof. Maar op een gegeven moment gaan de deeltjes zo hard trillen en botsen dat ze elkaar niet meer voldoende aantrekken om bij elkaar te blijven. Een vaste stof wordt dan een vloeistof (smelten) en een vloeistof een gas (verdampen). Terwijl een stof helemaal aan het smelten of verdampen is, blijft de temperatuur ervan constant (ook terwijl er meer warmte wordt toegevoerd; die warmte-energie zorgt dan voor een grotere afstand tussen de deeltjes, maar laat ze dan niet harder trillen of bewegen; de temperatuur stijgt dus niet). Die temperaturen noemen we het smeltpunt en het kookpunt van een stof. Kijk hier naar een proefje waarin ze dat kookpunt van water onderzoeken: ´https://www.youtube.com/watch?v=qhIZvmfGKcc&feature=youtu.be (de temperatuur van het water stijgt niet verder als de 100 0C is bereikt, terwijl het verwarmingsplaatje nog wel aanstaat en warmte aan het water afstaat; de temperatuur van de olie stijgt wel door, want het kookpunt van olie ligt veel hoger).
Bij 100 0C blijft de temperatuur constant terwijl het water verdampt.
Het omgekeerde gebeurt bij stollen en condenseren. Ook dan blijft de temperatuur gelijk. Het smeltpunt en het kookpunt zijn ook het stolpunt en het condensatiepunt van die stof.
Elke stof heeft zijn eigen smelt- en kookpunt. Dat zijn dus stofeigenschappen. Daaraan kun je een stof herkennen. Dat zagen we net al: water kookt bij 100 0C, olie nog niet.
Het ijken van een thermometer
Omdat kook- en smeltpunten van een stof altijd hetzelfde zijn (tenminste als andere omstandigheden niet veranderen, zoals de druk), kun je deze punten ook gebruiken om een thermometer te ijken.
We kwamen al tegen dat meneer Celsius het kookpunt van water 100 0C noemde en het smeltpunt/vriespunt 0 0C. Als je dus een thermometer hebt waarop nog geen schaalverdeling zit (die nog niet geijkt is), kun je deze ijken door deze eerst in smeltend ijs te zetten en een streepje te zetten bij het niveau dat de vloeistof in de thermometer dan aanneemt. Daarna zet je hem in een bak met kokend water. De vloeistof in de thermometer zet dan uit door de warmte (dat wist je al). Kijk maar eens bij dit proefje: ´https://www.youtube.com/watch?v=TyaFUbZcdbQ&feature=youtu.be
Je zet vervolgens een streepje bij het niveau dat de vloestof dan in de thermometer aanneemt. Bij het eerste streepje zet je 0 en bij het tweede100. En de afstand daartussen verdeel je in 100 gelijke stapjes. Dan heb je je thermometer geijkt met de schaal van Celsius.
Voor 3 vmbo en mavo met een NOVA-licentie: bestudeer nu de paragrafen 7.1 en 7.2 uit NOVA NASK1 kgt 4 en maak de opdrachten. Hier hoort ook een practicum bij. Maak daarvoor een afspraak met mij.
Wolken en neerslag
We hebben nu eigenlijk alles bestudeerd om te kunnen begrijpen wat wolken zijn en hoe ze ontstaan.
Wat zijn wolken?
Wolken zijn - dat wist je vast wel - meestal een grote verzameling waterdruppeltje, kleine of grotere. Soms bestaan de wolken uit kleine ijskristalletjes (als ze heel hoog in de lucht onstaan, waar het (ruim) onder 0 0C is). En soms bevatten wolken grote ijsballen. Die noemen we hagelstenen. En die onstaan alleen in hele hoge onweerswolken.
Wolken bestaan dus niet uit waterdamp, zoals sommigen wel denken. Waterdamp kun je niet zien. Wat we soms zien boven een pan kokend water - of boven een meer als de lucht heel koud is - is geen waterdamp, maar zijn weer waterdruppeltjes.
Hoe ontstaan die nu?
Het ontstaan van wolken
In de lucht zit eigenlijk altijd ook een beetje waterdamp (naast zuurstof, koolzuurgas of kooldioxide en een heleboel stikstof en nog wat andere gassen). Ook bij temperaturen onder de 100 0C. Als lucht warm wordt (doordat de aarde deze lucht verwarmt), stijgt deze op, zet een beetje uit en koelt daarbij een beetje af. Het kan ook zijn dat de lucht omhoog gedwongen wordt door en berghelling waar de wind tegenaan blaast. Of het kan zijn dat een hoeveelheid warme lucht stuit op een hoeveelheid koude lucht en door die koude lucht omhoog geduwd wordt (warme lucht is immers 'lichter'). Ook in al deze gevallen koelt de lucht af bij het stijgen.
Warme lucht kan echter meer waterdamp bevatten dan koude lucht. De hoeveelheid waterdamp die in de lucht zit ten opzichte van de maximale hoeveelheid waterdamp bij die temperatuur noemen we de relatieve vochtigheid. Die geven we aan als een percentage (hoeveelheid waterdamp / maximale hoeveelheid waterdamp x 100%).
Door dat afkoelen gaat daarom op een gegeven moment (een deel van) de waterdamp in de lucht condenseren. Dan ontstaan druppeltjes. Die vormen dus een wolk(je). Dat gebeurt vooral op stofdeeltjes in de lucht. Die noemen we wel aerosolen en die werken hier als condensatiekernen. Dergelijke wolken noemen we cumulus (mooi weer wolken, vaak als het warm is, of als koude, vochtige lucht uitstroomt over een relatief warm landoppervlak) of stratus (die ontstaat als warme, vochtige lucht uitstroomt over een relatief koud landoopervlak of over een koude luchtlaag).
Als het in de lucht plotseling heel erg koud is, gaat de waterdamp niet condenseren, maar vormen zich direct ijskristallen (rijpen). Dan zie je van die vegen of veren in de lucht. Die noemen we cirrus wolken.
Een onweerswolk is vaak zo hoog dat de bovenkant uit ijskritallen bestaat. Dat zie je als een uitgeveegde wolk aan de bovenkant. Die noemen we cumulonimbus. In een onweerswolk ontstaat hagel doordat waterdruppels zo hoog meegevoerd worden in de wolk en daardoor zo sterk afkoelen dat ze bevriezen. Zo kunnen ze langzamerhand steeds groter worden doordat er steeds meer water op bevriest. Dan vallen ze op een gegeven moment, maar kunnen ook weer opnieuw mee naar boven gevoerd worden door een sterke stijgende luchtstroom. Zo kunnen ze een paar keer op en neer gaan. Op een gegeven moment zijn ze zo groot dat de stijgende luchtstroom ze niet meer kan 'houden' en dan vallen ze als hagel op de grond.
Er bestaan ook allerlei mengvormen van die wolken. Hieronder zie je een plaatje en wat foto's van verschillende wolkentypen. Die zijn gegroepeerd in wat we wolkenfamilies noemen.
Voor 3 vmbo en mavo met een NOVA-licentie: bestudeer nu paragraaf 2.4 in NOVA NASK1 kgt 3 en maak de opgaven daarin.
Onweer
Wat is dat nou, onweer en bliksem. En hoe ontstaat het?
Kijk maar eens naar dit korte filmpje: https://schooltv.nl/video/onweer-hoe-ontstaat-het/
Onweer is eigenlijk het weertype met hoge wolken (cumulonimbus), bliksemontlading, donder en vaak zware regen- of hagelbuien.
Bliksem is een elektrische ontlading: een hele korte, maar sterke elektrische stroom, met een enorme spanning. In feite zoiets als wat ook in een tl-lamp gebeurt. Maar dan veel sterker. Zo sterk dat het dodelijk kan zijn als je erdoor getroffen wordt. Het filmpje legt mooi uit hoe in een hoge onweerswolk scheiding van elektrische lading ontstaat door langs elkaar bewegende waterdruppels en ijskristalletjes. Als die scheiding groot genoeg wordt - en daardoor de spanning groot genoeg is - kan er een korte stroom gaan lopen. Dat is de bliksem. Die zien we als een lichtflts doordat door de elektrische stroom allerlei deeltjes in de lucht als het waren kapot gaan en dan licht uitzenden. Dat heeft met de bouw van die deeltjes (atomen en molekulen) te maken. Op elektriciteit, licht en atomen en molekulen gaan we in andere quests verder in.
De donder is in feite het geluid dat ontstaat doordat de lucht in de buurt van de bliksem als het ware ontploft. Door de sterke stroom wordt de lucht plotseling sterk verhit en zet daardoor plotseling uit. Dat is een explosie. Die explosie veroorzaakt geluid(sgolven). Ook op geluid gaan we in een andere quest verder in.
Je weet wel dat de donder altijd na de flits komt. Weet je ook waarom? En weet je dan ook hoe je kunt berekenen hoe ver het onweer bij je vandaan is als je een lichtflits ziet en even later de donder hoort?
Voor 3 vmbo en mavo met een NOVA-licentie: bestudeer nu paragraaf 2.4 in NOVA NASK1 kgt 3 en maak de opgaven (als het goed is had je deze al klaar).
De waterkringloop
Nu kun je ook goed begrijpen hoe de waterkringloop in elkaar steekt. De waterkringloop is te zien als een gevolg van een combinatie van de warmte van de zon, faseovergangen, drukverschillen, wind en zwaartekracht.
(voor vmbo en mavo is dit geen verplichte stof)
Kijk maar eens naar dit filmpje: de waterkringloop
Waar komt de zwaartekracht in dit spel? Bekijk eventueel ook deze interactieve website over de waterkringloop: https://www.ntr.nl/html/micrio/schooltv/waterkringloop/
Waterkringloop, landschap en landbouw
Door de inwerking van wind en water op de bodem wordt ook het landschap gevormd. De wind verplaatst zand en slijpt daarmee heuvels en bergen af. IJs van gletschers schuurt de bergen uit. Rivieren slijpen dalen uit en voeren een heleboel grind, zand en slib mee. En dat wordt aan het eind van de rivier weer afgezet als zand en klei. En de zee spoelt daar regelmatig overheen, maakt geulen en kreken en zet weer opnieuw zand af. Zo is Nederland ontstaan.
Daarmee ontstaan ook vruchtbare landbouwgronden. Die zijn van belang voor de voedselvoorziening. En uiteraard is het water dat door rivieren, grondwaterstromen en regen wordt aangevoerd nodig om planten te laten groeien: bomen, die fruit kunnen geven, grassen die door dieren worden gegeten en andere planten die wij rechtstreeks kunnen eten.
Waterkringloop en klimaat
De waterkringloop heeft ook invloed op het klimaat op aarde. Water heeft door verdamping een verkoelend effect. Voor die verdamping is immers warmte nodig? Water zorgt zo ook voor een redelijk stabiele temperatuur op aarde. Als het te heet wordt, verdampt er meer water en koelen land en atmosfeer een beetje af. En als het te koud wordt, condenseert waterdamp in de lucht of bevriest water in meren, in de zee (bij de polen) en in de lucht (sneeuw en hagel e.d., die weer op de aarde vallen). Dat effect is het sterkst in de buurt van de zee, omdat daar zo veel water is. Daarom spreken we van een zeeklimaat. Daardoor is het in Nederland meestal niet heel erg heet, maar ook niet vaak heel erg koud. Dat is bijvoorbeeld midden in Rusland en China wel anders. Daar kan het 's zomers behoorlijk heeft worden en 's winters erg koud. Ook is het verschil tussen de dag- en nachttemperaturen daar vaak veel groter. Dat laatste kom je ook tegen in grote woestijnen, waar natuurlijk ook weinig water aanwezig is.
Water helpt verder ook mee om de aarde relatief warm te houden. Dat heeft te maken met het broeikaseffect, dat verderop aan de orde komt. Zonder dat broeikaseffect (van de atmosfeer, met daarin waterdamp en wolken en een heleboel andere gassen) zou het op aarde gemiddeld zeker 30 0C kouder zijn. Dan is de gemiddelde temperatuur op aarde niet zo'n 12 0C boven nul maar dus zo'n 18 0C onder nul. Gemiddeld!
Het belang van water
Zo zie je dat water een enorme invloed heeft op hoe wij leven. En zelfs op het feit dat we kunnen (blijven) leven op aarde. En dan hebben we het dus niet alleen over het feit dat we water nodig hebben om te drinken en te wassen.
Leg nu in je eigen woorden in een documentje of een keynote uit hoe de waterkringloop werkt en wat het belang ervan is. (Voor vmbo en mavo is dit geen verplichte stof)
Warmte, energie, energieomzettingen en warmteverspreiding of -transport
We hebben het al gehad over warm en koud en over temperatuur. Nu gaan we het hebben over warmte en warmteoverdracht.
Wat is dat, warmte?
Warmte is een vorm van energie. Maar wat is energie? Energie zorgt ervoor dat je iets kunt doen. dat er iets kan veranderen. Dat klinkt vaag. Maar laat ik wat voorbeelden geven. Je kent misschien elektrische energie. Die komt uit een batterij, uit een dynamo of uit het stopcontact (en dus van de energiecentrale; dat is ook een soort dynamo). Elektrische energie zorgt ervoor dat we iets in beweging kunnen zetten (bijvoorbeeld een ventilator, een fiets of een auto), iets kunnen verwarmen (een kachel of een magnetron), licht kunnen maken (een lamp) enzovoort.
Eigenlijk zetten we dan de ene vorm van energie om in een andere. Elektrische energie in bewegingsenergie, warmte en licht, in de voorbeelden die ik net gaf. Het omgekeerde kan ook. En in de batterij zit chemische energie in de vorm van een aantal stoffen bij elkaar. Als die met elkaar reageren (een chemische reactie), zetten ze chemische energie om in elektrische energie.
Alle vormen van energie kunnen in elkaar worden omgezet. Zo kun je bijvoorbeeld met bewegingsenergie elektrische energie produceren (dat doen de wieken van een windturbine bijvoorbeeld, met behulp van een dynamo), kun je met lichtenergie iets verwarmen (denk maar aan de zon of aan een ouderwetse gloeilamp, die heel veel warmte geeft) en kun je met warmte bewegingsenergie opwekken (als iets warm wordt, zet het uit en gaat er iets bewegen). Met licht kun je ook een gat branden in een materiaal (denk aan een brandglas of een laser). En met bewegingsenergie kun je iets kapot maken of ergens een gat in maken (denk aan een kogel die wordt afgeschoten).
Energie gaat nooit verloren. Dat noemen we de Wet van behoud van energie. De ene vorm van energie kan alleen maar omgezet worden in andere vormen. En bij elke omzetting ontstaat in ieder geval warmte; soms veel, soms maar een beetje.
Eigenlijk is warmte de (gemiddelde) bewegingsenergie van de deeltjes in een stof. We zagen eerder al dat de temperatuur aangeeft hoe snel de deeltjes in een stof bewegen. (Hoe bewegingsenergie nu precies samenhangt met snelheid zullen we later ontdekken).
Warmte heeft een aantal kenmerken:
- Als iets warm wordt, zet het uit. Als het weer afkoelt, krimpt het weer.
- Warmte gaat altijd van warm naar koud; of beter: van iets met een hoge temperatuur naar iets met een lagere temperatuur. Dat kun je je misschien wel voorstellen: als in een materiaal deeltjes met hoge snelheid (hoge temperatuur) botsen op deeltjes met lage snelheid (lage temperatuur), gaan de laatste sneller bewegen en de eerste wat langzamer. De laatste worden dus 'warmer', de eerste 'kouder'.
- Er zijn drie manieren waarop warmte zich kan verplaatsen (van hoge naar lage temperatuur dus): door warmtegeleiding, door warmtestroming en door warmtestraling.
Laat ik nog een paar filmpjes tonen om dit te illustreren.
Warmtegeleiding
Kijk eens naar dit filmpje: https://youtu.be/_yqGvd0zYdE
Wat gebeurt hier nu precies?
Dit is een voorbeeld van warmtegeleiding. Daarbij geven de deeltjes in een stof hun (bewegings)energie aan elkaar door, terwijl ze zelf niet van plaats veranderen. Dit kan alleen als er contact is tussen de delen van een materiaal. Of tussen twee materialen.
Warmtestroming
Kijk eens naar dit fimpje: https://youtu.be/tDbAjM-7n9Y
Wat gebeurt hier?
Dit is een vorm van warmtestroming. Daarbij nemen de deeltjes in een stof (hier water, met een kleustof) hun energie mee terwijl ze zelf ook op reis gaan. Er stroomt dus daadwerkelijk stof, materiaal. Daarom noemen we het warmtestroming. Dat kan alleen in gassen en vloeistoffen.
Kun je nu ook verklaren wat hier gebeurt? https://youtu.be/NEE6k20MtNc
Warmtestraling
De derde vorm van verplaatsing van warmte heet warmtestraling. Die kennen we van de zon, het zonlicht. Of van een gloeilamp en een warmtelamp. Hierbij is er geen sprake van stof die de warmte meeneemt of overdraagt. Denk maar aan de zon. Tussen de zon en de aarde is er niets, alleen vacuüm. Toch bereiken de zonnestralen ons en maken die ons warm. (Wat straling en licht precies zijn, komen we later tegen)
Uitzetten en krimpen (en een beetje warmtegeleiding en warmtestraling)
Kijk eens naar dit filmpje: ´https://www.youtube.com/watch?v=SK7jwXSPy0U&index=2&list=PLvNe1TtANR0zfo-JX7jqkZWJSSDKMW5u1 (Dit heet de proef van Tyndall)
En dit filmpje: ´https://www.youtube.com/watch?v=oN3kLZPhxSY&list=PLvNe1TtANR0zfo-JX7jqkZWJSSDKMW5u1 (Dit heet de bolproef van 's Gravesande)
Kun je nu verklaren wat hier allemaal gebeurt?
Voor 3 vmbo en mavo met een NOVA-licentie: bestudeer nu de paragraaf 6.1 van NOVA NASK1 kgt 3 en 3.1 t/m 3.5 van NOVA NASK1 kgt 4 en maak de opgaven van die paragrafen. Verder krijg je van mij een aantal kopieën over energiesoorten met een aantal opgaven.
Hier hoort ook een practicum bij. maak daarvoor een afspraak met mij.
De CV
Iedereen kent wel de centrale verwarming (cv). Maar wie weet precies hoe die werkt?
Kijk maar eens naar dit filmpje: ´https://www.youtube.com/watch?v=ZPdVxCmBMm4. Daarin wordt het al een beetje uitgelegd.
Drie vormen van warmtetransport
Als je heel precies kijkt, kun je alle drie de vormen van warmtetransport terugvinden in het cv-systeem: warmtestraling, warmtestroming en warmtegeleiding. Kun je dat beschrijven?
Expansievat
Kun je ook aangeven wat het expansievat doet en waarom dat zo nodig is?
Thermostaat
In het cv-systeem zit ook een thermostaat. Wat doet die? En hoe werkt die? Het heeft iets met uitzetting en krimp te maken.
Soms zit een thermostaat ook op de radiator zelf. Dan regelt deze alleen de temperatuur van die ene radiator. Ook op moderne douchekranen zit meestal een thermostaat. Die houdt de temperatuur van het water dat uit de douche komt constant.
Warmte in de kamer
Uiteindelijk gaat het erom dat de cv de kamer verwarmt. De thermostaat regelt dat de kamertemperatuur constant blijft op een waarde die je zelf instelt.
Maar hoe verwarmt de cv de kamer nu precies? Welke vormen van warmtetransport spelen daarbij een rol? Kun je dat beschrijven?
En kun je dan ook aangeven waarom een cv eigenlijk niet zo'n handige of efficiënte vorm van verwarming is? (daarvoor moet je misschien wat googelen)
Voor 3 mavo met een NOVA-licentie: bestudeer nu paragraaf 2.3 van NOVA NASK1 kgt 4 en maak de opgaven daarvan. Maak ook een keynote waarin je
-
het cv-systeem beschrijft,
-
aangeeft welke vormen van warmtetransport op welke plekken in het systeem voorkomen,
-
aangeeft waarom het expansievat zo nodig is,
-
hoe de thermostaat werkt
-
en waarom een cv niet zo handig of efficiënt is.
Zet deze keynote in Seesaw in het mapje natuurkunde.
De oceaan als CV
Eigenlijk werken de oceaan en de atmosfeer is samenwerking met de zon en de aarde als een hele grote cv-installatie. Hoe zit dit?
(voor vmbo en mavo is dit geen verplichte stof)
De brander
De zon verwarmt het water van de oceaan en de bodem van de continenten. Dat is het sterkst in de tropen en de subtropen. Dat varieert een beetje per seizoen (hoe dat zit kun je zien in de quest Het weer van aardrijkskunde).
De leidingen
Wat gebeurt er met water dat warmer wordt ook al weer? Het water zet uit, wordt wat 'lichter' (eigenlijk: minder dicht), komt naar boven en stroomt zijwaarts weg waar het water wat minder warm is. In samenwerking met de draaiing van de aarde ontstaat zo een warme golfstroom richting West-Europa. Ondertussen geeft de warme golfstroom een deel van zijn warmte af. West-Europa wordt daardoor relatief warm. Kijk maar eens naar dit filmpje: https://schooltv.nl/video/zeestromen-en-wind-ze-beinvloeden-de-temperatuur/
Dan stroomt de golfstroom verder naar de Noordpool. Daar koelt het water verder af. Mede door koud, zoet smeltwater van de Noordpool zakt het koude water naar beneden en stroomt over de bodem van de oceaan langs Noord-Amerika weer naar het zuiden. In Noord-Amerika is het daardoor op dezelfde breedtegraad (ongeveer 520 noorderbreedte) als Nederland gemiddeld veel kouder.
Ook elders in de oceanen bestaan van die warme en koude golfstromen. kijk maar eens op dit filmpje: https://schooltv.nl/video/de-oceanische-circulatie-hoe-stromen-de-zeeen-op-aarde/
Zo transporteert de oceaan dus warmte van de tropen naar het noorden. Op het zuidelijk halfrond gebeurt iets dergelijks. Net als een cv.
De atmosferisch circulatie
Ook de atmosfeer transporteert warmte van de evenaar naar de polen. Het simpele plaatje is: warme lucht stijgt op in de tropen, stroomt naar het noorden en komt, een beetje afgekoeld, weer naar beneden bij de noordpool (en de zuidpool). Daarbij onstaan tegelijk systemen van hoge druk (bij de polen) en lage druk (bij de evenaar).
In werkelijkheid is het nog wat ingewikkelder. Kijk maar eens naar dit filmpje: luchtstromen op aarde.
Maak nu een document of een keynote met wat je hier hebt geleerd (voor vmbo- en mavoeerlingen is dit geen verplichte stof)
Het grote weersysteem
We hebben het eerder - bij 'de oceaan als cv - al gehad over de grote luchtstromen op aarde. Zoals we daar al zagen, zorgen die grote luchtstromen, samen met de golfstromen in de oceaan, voor transport van warmte vanuit de tropen naar de polen. Daarmee zorgen die lucht- en waterstromen voor een redelijk gelijkmatig klimaat op aarde. Zonder die stromen zou het rond de evenaar nog veel heter zijn en aan de polen veel kouder.
(voor vmbo en mavo is dit geen verplichte stof)
Maar het zit nog wat ingewikkelder in elkaar. Dat heeft vooral te maken met de draaiing van de aarde. Door die draaiing stroomt warme lucht niet rechtstreeks naar de polen, maar buigt die stroming op het noordelijk halfrond af naar rechts en op het zuidelijk halfrond naar links. Dat wordt wel het corioloseffect genoemd. Dat effect voel je ook als je in een draaimolen van binnen naar buiten of van buiten naar binnen probeert te lopen. Het volgende filmpje legt dat uit.
De grote windsystemen
Door die draaiing van de aarde en de systemen van hoge en lage druk als gevolg van de instralling van de zon ontstaan dus de grote windsystemen met de overheersende winden op bepaalde plekken op aarde: de overheersende westenwinden op gematigde breedte (zoals bij ons), de noordoost passaatwind en de zuidoost passaatwind bijvoorbeeld.
Moesson
Er is nog een bekend wind- en weersysteem: de moesson. De moesson is een echt seizoensverschijnsel. Daarom heet het ook moesson. Moesson komt van het Engelse monsoon en dat weer van het Portugese maucam of het Arabische mausim, wat seizoen betekent. Het ene seizoen is de wind dan bijvoorbeeld zuidwest, het andere seizoen noordoost. Het weer is dan ook anders. Het ene seizoen is nat, het andere droog. Dat is bovendien op verschillende plekken op aarde anders. De moesson komt alleen in de tropen en subtropen voor: India en Zuidoost Azië, Indonesië, midden Afrika, Australië en ook de Antillen. De moesson doorbreekt het patroon van overheersende winden dat we net tegenkwamen een beetje.
De oorzaak is een samenspel van sterk verwarmende landmassa's in de zomer (bijvoorbeeld Azië; Rusland, China en India) en de veranderende stand van de zon; in de zomer staat de zon hoger aan de hemel op het noordelijk halfrond. Daardoor verschuiven ook de zones van overheersende winden die we net tegenkwamen een beetje. In Azië helpt ook de Himalaya een beetje: die houdt koude, droge wind uit het noorden tegen en warme vochtige wind uit het zuiden. Deze laatste laat daardoor zijn water ten zuiden van de Himalaya in grote hoeveelheden vallen. Dat komt ook doordat de lucht omhoog wordt gedwongen door de bergrug. Zoals je weet koelt de lucht dan af. Een groter deel van het water in de lucht condenseert dan tot druppeltjes, vormt wolken en valt als regen naar beneden.
Zie hier een paar filmpjes die de moesson uitleggen:
https://www.youtube.com/watch?v=ref6IHX8BW0
https://www.youtube.com/watch?v=i7GC62ynLVg
https://www.youtube.com/watch?v=uJFXN_xYrKQ
De moesson en het ritme van het leven
Je kunt je misschien wel voorstellen dat de moesson het leven van mensen in de betreffende gebieden behoorlijk bepaalt. In het voorjaar is het bijvoorbeeld in India behoorlijk droog. Richting de zomer wordt het steeds heter en droger. Mensen blijven binnen of in de schaduw en houden zich rustig. Omdat het zo droog is, groeit er weinig meer. Voorraden raken op. In juni slaat het weer ineens om. Het regent continu. Met bakken komt het uit de lucht. Dat geeft verkoeling. Mensen komen weer naar buiten. Want het is wel nat, maar niet echt koud. Ze worden weer actief. Er moet geplant worden. Er wordt gewerkt op het land. En later moet er geoogst worden. Je ziet dan ook dat allerlei feesten het ritme volgen van de afwisseling tussen droge en natte tijd.
Leg nu in je eigen woorden in een document of keynote uit hoe het grote weersysteem en de moesson werken.
Broeikaseffect
We noemden bij de waterkringloop al even het broeikaseffect. Wat is dat nu eigenlijk?
(geen verplichte stof voor mavo 3)
Bekijk eerst dit korte fimpje maar eens: https://schooltv.nl/video/clipphanger-wat-is-het-broeikaseffect/
We moeten daarbij wel onderscheid maken tussen het gewone of natuurlijke broeikaseffect en het versterkte broeikaseffect. Dat laatste wordt door mensen veroorzaakt en leidt tot snelle klimaatverandering. Het eerste zorgt ervoor dat we op aarde een redelijk aangename gemiddelde temperatuur hebben van ongeveer 12
0C. Bekijk daarom dit korte filmpje:
https://www.youtube.com/watch?v=4pO_8E01lj0
Het natuurlijk broeikaseffect
Het natuurlijk broeikaseffect is vooral het gevolg van het feit dat koolzuurgas of kooldioxide (CO2), waterdamp en wolken in de atmosfeer de warmte van de zon die op de aarde straalt vasthouden. Anders zou die voor een veel groter deel weer uitstralen naar de ruimte en zou het hier op aarde wel zo'n 30 0C kouder zijn. Ongeveer -20 0C. Niet echt lekker dus.
Ooit was er veel meer CO2 in de atmosfeer en was het veel heter. Maar toen er bomen, andere planten en algen ontstonden, hebben die veel CO2 opgenomen en vastgelegd in hout. Daarmee werd de atmosfeer langzaam koeler en meer geschikt voor leven. Ook dieren- en mensenleven, want de bomen produceren de zuurstof die voor het het leven van mens en dier nodig is.
Toen die planten doodgingen, is veel van die CO2 onder de grond gekomen. Dat is steenkool, aardgas en aardolie geworden. Die verbranden we nu weer in hoog tempo en daarmee brengen we weer extra CO2 in de atmosfeer. Fossiele brandstoffen noemen we die.
Het versterkte broeikaseffect
Dat laatste draagt bij aan het versterkte broeikaseffect. Het versterkte broeikaseffect wordt veroorzaakt door alle uitlaatgassen die worden uitgestoten door fabrieken, waaronder de energiecentrales die de elektriciteit voor alle apparaten in onze huizen produceren, auto's en de landbouw, waar al het voedsel voor ons wordt geproduceerd. Het gaat dan vooral om uitstoot van extra kooldioxide (vooral door verbranding van fossiele brandstoffen zoals kolen, aardolie en aardgas, maar dus ook benzine en diesel) en methaan (CH4, zoiets als aardgas, dat bijvoorbeeld door vee wordt uitgestoten, maar ook uit de ontdooiende bodem in het noorden van Rusland, Scandinavië, Canada en Alaska kan komen). Ook ontbossing - om hout te winnen of om grond vrij te maken voor landbouw - draagt bij aan het broeikaseffect. Want elke boom die verdwijnt, zorgt ervor dat er minder CO2 uit de atmosfeer wordt gehaald.
Door die extra gassen in de atmosfeer wordt het broeikaseffect sterker en wordt meer warmte vastgehouden. Het wordt warmer.
Er zijn wel eerder periodes geweest waarin het veel warmer was doordat er veel meer kooldioxide en methaan in de atmosfeer werd uitgestoten. Door vulkanen bijvoorbeeld. Dat heeft bijgedragen aan het uitsterven van allerlei dieren. En het duurde millennia voordat de aarde weer wat was afgekoeld.
Gevolgen
Door het versterkte broeikaseffect gaat het klimaat sterk veranderen. En dat is al gaande. Door de opwarming krijg je meer verdamping. Daardoor wordt het op sommige plekken op aarde veel droger. Op andere plekken wordt het juist natter door meer en zwaardere regenval en overstromingen. Er komen ook zwaardere stormen. En de zeespiegel gaat stijgen. Kijk maar eens naar deze grafieken van de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer, de temperatuur en het zeeniveau door de jaren heen.
Die zeespiegelstijging komt trouwens tot nu toe niet zozeer door smeltend ijs, maar vooral doordat de oceaan warmer wordt. Want als water warm wordt, zet het immers uit. Het smelten van de Noordpool draagt niet bij aan de zeespiegelstijging, want dat zeeijs drijft al in het water. Maar als het ijs van Groenland en Antarctica (de Zuidpool) gaat smelten - en dat doet het al - gaat de zeespiegel nog veel harder en verder stijgen. Die kan meters hoger worden, al duurt dat wel een tijdje.
Dat heeft natuurlijk enorme gevolgen. Voor mensen bijvoorbeeld, vooral in kustgebieden. Kijk maar eens naar wat 5 m stijging doet met Nederland. Het linker plaate laat zien hoe Nederland er nu uit zou zien als er geen dijken waren, het rechter laat Nederland zien na 5 m zeespiegelstijging. Bijna geen Nederland meer over dus.
De gevolgen zijn in arme landen nog veel ernstiger, omdat zij zich niet goed kunnen beschermen tegen klimaatveandering. Met dijken bijvoorbeeld. En dat terwijl klimaatverandering vooral door rijke landen wordt veroorzaakt, door al hun fabrieken, auto's en landbouw.
Gevolgen zijn er natuurlijk niet alleen voor mensen. Ook planten en dieren zullen het merken. Die gaan zich verplaatsen naar gebieden waar het nog wat koeler is. En als ze dat niet snel genoeg kunnen doen, sterven ze uit.
Wat zouden we eraan kunnen doen?
Show
Terugkijker
