1. Vervoer en milieu
1.1 Inleiding
We kunnen ons Nederland zonder auto’s, bussen en treinen haast niet voorstellen. Maar het is nog niet zo heel lang geleden dat we in Nederland een auto als een echte bezienswaardigheid beschouwden. In 1950 waren er bijvoorbeeld slechts 139.000 auto’s in Nederland. Onze mobiliteit is in zestig jaar echter exponentieel toegenomen. In 2010 passeerden we de grens van 8 miljoen auto’s. Dit betekent dat we gemiddeld per huishouden 1,1 auto bezitten.
We hebben veel profijt van onze toegenomen mobiliteit. We kunnen bijvoorbeeld makkelijker werk vinden omdat we eenvoudiger verder kunnen reizen. We kunnen echter ook nadelen van het toegenomen verkeer bedenken. Om al deze auto’s te laten rijden verbruiken we namelijk een grote hoeveelheid fossiele brandstoffen, zoals benzine en diesel. Ook veel andere voertuigen verbruiken fossiele brandstoffen, bijv. vrachtwagens of tractors. Bovendien kunnen ook voertuigen die werken op elektriciteit (trams, treinen, etc.), indirect fossiele brandstoffen nodig hebben, bijv. omdat een elektriciteitscentrale elektriciteit opwekt uit ruwe olie.
Door het verbruik van deze fossiele brandstoffen heeft vervoer direct invloed op het milieu en daarmee op onze leefomgeving! Bij het verbranden van benzine of diesel in de motor van een voertuig komt bijvoorbeeld het broeikasgas kooldioxide (CO2) vrij. Dit leidt tot het versterkt broeikaseffect. Bovendien slinken de olievoorraden snel, wat op korte termijn grote problemen zou kunnen opleveren.
Om deze redenen zijn we de laatste jaren op zoek gegaan naar alternatieven voor vervoer. We moeten ons bijvoorbeeld afvragen of het gebruik van een gemotoriseerd vervoermiddel wel altijd het gunstigste is. We kijken ook naar mogelijkheden zoals meer trein-, bus- en fietsgebruik. Verder zijn we hard bezig met de ontwikkeling van alternatieve brandstoffen.
In deze module gaan we meer leren over de verschillende aspecten van vervoer en milieu. We bestuderen eerst het brandstofverbruik van verschillende vervoermiddelen en leren hoe dit afhangt van de wrijvingskrachten en de arbeid die nodig is om het vervoermiddel te laten bewegen. We gaan vervolgens bepalen hoeveel energie je eigenlijk uit bepaalde brandstoffen kunt halen en of we ook kunnen begrijpen waar deze energie vandaan komt. Tenslotte maken we op basis van een aantal gegevens over verschillende vervoermiddelen, zoals de kosten van een bepaald vervoermiddel, de reistijd en de uitstoot van schadelijke stoffen, een optimale keuze voor een vervoermiddel afhankelijk van het reistraject.
De module heeft ook een vrije-keuze deel, waarbij in groepjes wordt gewerkt. Met je groepje maak je een keuze uit een lijst onderwerpen die allemaal iets met vervoer en milieu te maken hebben. Naar dit onderwerp doe je zelf onderzoek in boeken, tijdschriften en op het internet. De resultaten van jullie onderzoek verwerk je in een poster, die je aan de andere groepjes presenteert. De opdracht voor het vrije-keuze onderdeel staat beschreven in paragraaf 1.3. De studiewijzer voor deze module staat in paragraaf 1.4.
1.2 Vragen en Opgaven
1. Geef ten minste 8 voorbeelden van vervoermiddelen die fossiele brandstoffen gebruiken.
2. Ga na en bereken of het aantal auto’s per huishouden in jullie klas groter of kleiner is dan het landelijke gemiddelde.
3. Wat zijn de twee belangrijkste redenen om de groei van het verkeer te willen verminderen?
4. Noem twee schadelijke gevolgen van het versterkt broeikaseffect.
5. Men heeft vastgesteld dat de stijging van CO2 in de atmosfeer van 270 naar 370 ppm zeer waarschijnlijk voor 75% komt door de verbranding van fossiele brandstoffen en voor 25% door een andere oorzaak. Wat is deze andere oorzaak?
6. Naast de uitstoot van CO2 leidt de verbranding van fossiele brandstoffen nog tot andere vormen van luchtvervuiling. Noem één andere vorm en de gevolgen hiervan.
7. Noem twee mogelijke negatieve gevolgen en één mogelijk positieve gevolg van een dreigend olietekort.
Opgave 1: Een voorproefje van deze module
Maartje rijdt elke dag met de auto naar haar werk en legt hierbij in totaal 100 km af met een gemiddelde snelheid van 100 km/h. Zij werkt 225 dagen per jaar. De auto van Maartje blijkt bij een snelheid van 100 km/h een verbruik te hebben van 1 liter benzine per 16 km.
In hoofdstuk 2 gaan we leren uitrekenen wat het benzineverbruik precies is, gebaseerd op de wrijvingskracht die de auto ondervindt.
a) Bereken met de gegevens hierboven hoeveel liter benzine Maartje per jaar verbruikt.
Maartje besluit nu om voortaan sneller op haar werk te willen zijn en gaat 120 km/h rijden. Hierdoor neemt haar verbruik toe tot 1 liter op 12 km.
b) Bereken de toename van haar benzineverbruik per jaar in procenten.
In hoofdstuk 3 gaan we leren hoe we voor een brandstof kunnen uitrekenen hoeveel energie er vrij komt bij de verbranding ervan. Ook kijken we naar de hoeveelheid CO2 die gevormd wordt. Als we dat voor benzine doen, krijgen we een waarde van ongeveer 50•105 J/mol. 1 mol benzine is ongeveer 0,16 liter benzine.
c) Stel, de auto heeft op een bepaald traject 2•108 J aan energie nodig. Bereken hoeveel liter benzine nodig is om dit te leveren.
Diesel levert per mol meer energie, ongeveer 95•105 J/mol. 1 mol diesel is ongeveer 0,27 liter.
d) Bereken hoeveel liter diesel nodig is om 2•108 J energie (uit vraag c) te leveren.
We weten dat de CO2-uitstoot bij de benzineverbranding in Maartjes auto 159 g/km is.
e) Bereken de CO2-uitstoot van Maartje per jaar in kg (zie gegevens aan begin van de opgave).
In het weekend gaat Maartje vaak naar haar sportvereniging. Ze legt hierbij in totaal 10 km af. Ze wil dan niet met de auto gaan, en overweegt met de bus of haar brommer te gaan. In hoofdstuk 4 leren we hoe we een optimale keuze kunnen maken voor een bepaald vervoermiddel. Stel, Maartje maakt de rit naar haar sportvereniging 40 maal per jaar. De bus kost haar €6 per dag en de brommer €1,80. De bus rijdt gemiddeld 50 km/h en de brommer gemiddeld 30 km/h. De bus geeft een CO2-uitstoot van 115 g/km en de brommer een CO2-uitstoot van 65 g/km.
f) Maartje wil per rit graag minder dan 1200 g CO2-uitstoten en de rit in minder dan 15 min. afleggen. Bovendien wil ze per jaar maximaal € 200 euro uitgeven aan haar vervoer. Is één van beide vervoermiddelen hiervoor geschikt?
1.3 Praktische Opdracht
In deze module gaan jullie zelf aan de slag om een poster te maken over een onderwerp zoals elektrische auto’s, duurzame energie of het energieverbruik van treinverkeer. Hieronder staat een lijst met alle mogelijke onderwerpen. Bij elk onderwerp hoort ook een korte beschrijving en een aantal mogelijke onderzoeksvragen. Daarnaast is per onderwerp een lijst van websites gegeven waar informatie te vinden is over het onderwerp en een aantal, dat je bij je verdere onderzoek kunt gebruiken.
Stap 1
Vorm groepjes en kies een onderwerp uit Tabel 1.1. Geef door aan je docent welk onderwerp je gekozen hebt.
Stap 2
Maak een onderzoeksplan. Dit is een opzet waarin je vertelt wat je gaat doen, hoe je dat gaat aanpakken en hoe het eruit gaat zien. Lever dit in aan het einde van de les.
Het onderzoeksplan bevat de volgende onderdelen:
- Het onderwerp van je poster.
- Achtergrond: hierin vertel je kort iets over het onderwerp.
- De onderzoeksvraag: Wat is het doel van je onderzoek? Wat wil je te weten komen?
- De voorgaande 3 onderdelen vormen samen de inleiding die je voor je poster kunt gebruiken.
- De kernbegrippen: welke begrippen ga je onderzoeken?
- De deelonderzoeksvragen: deel je onderwerp op in kleinere stukjes, die later de verschillende paragrafen kunnen worden op de poster.
- De taakverdeling binnen de groep, bijvoorbeeld:
- Spreek af wie welk deel van de paragrafen gaat maken.
- Spreek af wie er verantwoordelijk is voor de planning.
- Spreek af wie de eindredactie doet van de poster.
- De tijdsplanning: wanneer ga je welke onderdelen afhebben.
Stap 3
Verwerk de feedback en tips van je docent in je onderzoeksplan. Vanuit dit onderzoeksplan ga je werken om je poster vorm te geven.
Stap 4
Ga uit op onderzoek, en maak de poster.
Het resultaat
De poster die je maakt moet in ieder geval de volgende punten bevatten:
- Titel
- Het onderwerp van je poster
- Namen + klas van je groepje
- Inleiding:
- Hierin beschrijf je kort het onderwerp van je poster en geef je de onderzoeksvraag aan. Je plaatst het onderwerp voor iedereen in een duidelijk kader.
- De informatie die je hebt gevonden / gebruikt in verschillende paragrafen
- Presenteer hier alle informatie die relevant is voor het onderwerp en het beantwoorden van je onderzoeksvraag. Doe dit netjes per deelonderzoeksvraag.
- Geef zo veel mogelijk met behulp van een berekening / tabel / grafiek / overzichtelijk plaatje aan wat je resultaten zijn.
- Discussie
- Bediscussieer hier de voor- en nadelen van alle mogelijkheden.
- Conclusie
- Geef hier antwoord op je onderzoeksvraag, waarbij je rekening houdt met de afweging van de voor- en nadelen die je bij de discussie hebt gemaakt.
- Bronvermelding
- Laat hier zien waar je informatie vandaan komt. Schrijf op uit welk boek/tijdschrift of van welke website de informatie komt. Gebruik ook bronnen die niet op het opdrachtvel staan!
Een voorbeeld van een poster staat gegeven in Figuur 1.3.
1.4 Lesplanning
De lessen zijn als volgt opgebouwd:
De afronding en toetsing van de module zal als volgt plaatsvinden:
2. Kracht, arbeid en brandstofverbruik
In paragraaf 1.1 heb je kunnen lezen dat het energie kost om een voertuig te laten bewegen. Dat komt omdat er verschillende krachten moeten worden overwonnen voordat het voertuig daadwerkelijk gaat bewegen. Welke krachten spelen een rol bij een vervoermiddel tijdens het bewegen en waar hangen deze krachten vanaf? Het blijkt dat dit voornamelijk bepaald wordt door twee soorten weerstanden: de rolweerstand en de luchtweerstand.
2.1 Rolweerstand
Rolweerstand is de weerstand die een rond voorwerp, of een voorwerp met wielen, ondervindt als het over een vlak oppervlak rolt. In formulevorm kunnen we de rolweerstandskracht FR (eenheid [N]) beschrijven als:
De rolweerstand hangt dus niet af van de snelheid van verplaatsing, maar alleen van de kracht waarmee het voorwerp op het oppervlak duwt (de zwaartekracht m*g), en van de eigenschappen van het voorwerp en het oppervlak, samen gegeven door CR.
Voor een auto met rubberen wielen, die rijdt op beton, is de waarde van CR ongeveer gelijk aan 0,010. Voor de stalen wielen van een trein, die rijdt op een stalen rails, is CR typisch tussen de 0,0015 en 0,0030. De precieze waarde hangen af van eigenschappen zoals dikte van de banden, het materiaal waarvan ze gemaakt zijn, en de bandenspanning. Wat is nu de typische grootte van de rolweerstand voor een auto? Stel, we kiezen een Ford Focus (1.4i uit 2007) met een massa m van 1229 kg. Als CR =0,0100 en g =9,81 m/s2, volgt dan een rolweerstand FR van 121 N.
Vragen
1. Bereken de rolweerstand van een auto met CR =0,00900 en een massa van 987 kg.
2. Bereken de rolweerstandscoëfficiënt van een trein met een massa van 230.000 kg heeft een rolweerstand van 4500N.
3. Toon aan met behulp van een eenhedenanalyse, dat CR dimensieloos is.
2.2 Luchtweerstand
De luchtweerstand is de weerstand die een voorwerp ondervindt als het zich voortbeweegt door de lucht; de lucht moet immers verplaatst worden en dit kost energie. We kunnen de luchtweerstandskracht FW van een voorwerp berekenen met de volgende formule:
De luchtweerstandscoëfficiënt is een maat voor de hydrodynamische eigenschappen van het voorwerp, ofwel hoe gestroomlijnd het voorwerp is. Typische waarden voor de luchtweerstandscoëfficiënten CL van auto’s zijn 0,4 voor een auto met een matige stroomlijn en 0,3 voor een auto met een goede stroomlijn.
Enkele voorbeelden worden gegeven in Figuur 2.1. De luchtweerstandscoëfficiënten van treinen en bussen zijn vaak hoger (0,7-0,8), door een meer vierkante vorm.
Om een idee te krijgen van typische luchtweerstandskrachten nemen we weer de Ford Focus uit het vorige voorbeeld. Voor deze auto is CL gelijk aan 0,324, en zijn frontaal oppervlak A is 2,26 m2. De luchtdichtheid is 1,293 kg/m3. Voor een snelheid van 20 km/h, ofwel 5,6 m/s, volgt dan uit de vergelijking een luchtweerstand van 15 N. Dit is klein vergeleken met de rolweerstand van 121 N. Nemen we nu een snelheid van 100 km/h, dan is de luchtweerstand 365 N. Bij deze snelheid is de luchtweerstand dus belangrijker dan de rolweerstand!
Figuur 2.2 laat een grafiek zien voor de luchtweerstand, de rolweerstand en de totale weerstand ( FW = FR + FL ) als functie van de snelheid.
Op een bewegend vervoermiddel werken twee soort weerstandkrachten, namelijk rolweerstand en luchtweerstand. De rolweerstand is onafhankelijk van de snelheid van het vervoermiddel en de luchtweerstand die groter voor naar mate de snelheid groter wordt.
Vragen
4. Bereken de luchtweerstand voor een auto met een massa van 1050 kg en een het frontale oppervlak van 1,9 m2 bij een snelheid van 70 km/h. De luchtweerstandscoëfficiënt CL is 0,35.
5. Toon aan met behulp van een eenhedenanalyse, dat CL dimensieloos is.
6. In Figuur 2.2 zie je dat voor een bepaalde snelheid de luchtweerstand groter wordt dan de rolweerstand. Bereken met behulp van de gegevens uit Figuur 2.2 en de vergelijkingen voor de rolweerstand en de luchtweerstand de exacte snelheid waarbij dit gebeurt.
2.3 Kracht en Arbeid
In de vorige paragrafen hebben we uitgerekend welke weerstand een vervoermiddel ondervindt als het over de weg rijdt. De totale weerstandskracht is de som van de luchtweerstand en de rolweerstand, zoals te zien in Figuur 2.3:
De arbeid die wordt verricht tijdens het rijden is nu gelijk aan de kracht maal de afgelegde weg:
We kiezen weer de Ford Focus uit Figuur 2.2, en nemen een snelheid van 100 km/h. We hadden al uitgerekend dat de rolweerstand gelijk is aan 121 N en de luchtweerstand bij deze snelheid is 365 N. De totale weerstand is dus 486 N. Per afgelegde meter is de verrichtte arbeid dan 486 N·m, ofwel 486 J. Omgerekend naar kilometer is deze 486 kilojoule per afgelegde km.
Naast de arbeid die verricht wordt om bij het rijden van een constante snelheid de weerstandskracht te overwinnen, is er ook arbeid nodig om het voertuig op snelheid te brengen. Op lange ritten kan dit worden verwaarloosd, maar wanneer vaak gestopt moet worden (voor een rood stoplicht bijvoorbeeld), zal extra arbeid verricht moeten worden om steeds opnieuw op snelheid te komen.
De hoeveelheid arbeid kan berekend worden met de wet van arbeid en kinetische energie:
Daarnaast kost ook remmen energie, en ook alle elektronica aan boord van een voertuig, zoals navigatiesystemen, lampen, stuurbekrachtiging, verwarming en airco, kost extra energie. Deze hoeveelheid arbeid is over het algemeen constant.
Vragen
7. Een bepaald type auto ondervindt bij een snelheid van 80 km/h een totale wrijvingskracht van 450 N. Bereken de verrichte arbeid tijdens het rijden in J per afgelegde kilometer.
8. Een auto verricht 520 kilojoule aan arbeid per afgelegde km. Bereken de grootte van de wrijvingskracht die de auto ondervindt.
9. Als een auto tijdens het rijden gebruik maakt van de airco en de autoverlichting, neemt de hoeveelheid arbeid dan af of toe?
2.4 Brandstofverbruik
De hierboven uitgelegde arbeid die verricht moet worden om de weerstand te overwinnen, wordt geleverd door de motor. Vrijwel al het wegtransport maakt gebruik van verbrandingsmotoren (zie Figuur 2.4). In een verbrandingsmotor komt door verbranding van een brandstof energie vrij in de vorm van warmte en een hoge druk. De drukverhoging komt zowel door de temperatuurstijging, als door de toename van de hoeveelheid moleculen na de verbranding. Door de drukverhoging wordt een zuiger in beweging gezet die de kracht levert om de wielen te doen draaien. Veelgebruikte brandstoffen in verbrandingsmotoren zijn benzine, diesel, kerosine (vliegtuigen) en LPG.
Door de aard van de energieomzetting in een verbrandingsmotor is het niet mogelijk alle chemische energie uit de brandstoffen daadwerkelijk om te zetten in kinetische energie. De verhouding tussen de chemische energie en de geleverde of nuttig gebruikte energie noemen we het rendement van de motor:
De meeste motoren hebben een theoretisch maximaal rendement van 37%. In de praktijk is het echter gemiddeld meestal rond de 20%. Dit hangt nog af van diverse zaken, zoals hoe warm de motor is, of hoe snel de auto rijdt (meestal is het rendement optimaal tussen de 80 en 100 km/h).
Kunnen we nu uitrekenen wat het benzineverbruik is van de Ford Focus? In de vorige paragraaf hebben we uitgerekend dat bij een snelheid van 100 km/h de auto 486 kJ per km verbruikt. Laten we een motorrendement van 20% nemen. Er geldt dan:
We moeten dus per kilometer 2430 kJ aan chemische energie aan de motor leveren. Benzine levert ongeveer 33•106 J/liter. Hierover zul je later in deze module nog meer leren. Per kilometer verbruiken we dan 0,074 liter, ofwel per 100 km 7,4 liter benzine. We kunnen ook zeggen dat de auto ‘1 op 14’ rijdt: op 1 liter benzine rijdt de auto 14 km. Let wel op, dit is dus een benadering voor het rijden bij constante snelheid, zonder het meenemen van lampen, airconditioning, etc.
2.5 Verschillende vervoermiddelen
Nu we de rolweerstand, luchtweerstand en brandstofverbruik hebben bekeken, kunnen we dit natuurlijk voor verschillende vervoermiddelen toepassen. In Tabel 2.1 vind je een overzicht van de gegevens van een typische auto, trein (dubbeldekker), bus, fiets en racefiets. In één van de opgaven ga je hier verder aan rekenen.
Vragen
10. Een auto verricht tijdens het rijden een arbeid van 475 kJ/km. De motor heeft een rendement van 25%. Bereken hoeveel chemische energie aan de motor geleverd moet worden.
11. Een auto verbruikt per kilometer 2200 kJ aan chemische energie. Benzine levert ongeveer 33∙106 J/liter. Bereken hoeveel liter benzine deze auto verbruikt per kilometer.
12. Bereken hoeveel km de auto uit vraag 11 rijdt op 1 liter benzine.
2.6 Opgaven
Opgave 1: Snelheid en benzineverbruik van een auto
Twee auto’s van hetzelfde model (Citroën C4 uit 2004) met een massa van 1175 kg rijden 100 km over dezelfde weg. In Figuur 2.5 is de totale weerstand werkende op dit type auto als functie van de snelheid gegeven.
a) Bepaal aan de hand van Figuur 2.5 de arbeid verricht door motor per kilometer bij deze snelheid.
Bij verbranding van één liter benzine komt 33•106 J energie vrij. Het rendement van de automotor bedraagt 20%.
b) Bereken het benzineverbruik van de auto.
De tweede auto heeft een gemiddelde snelheid van 100 km/h. De helft van de tijd rijdt de auto met een snelheid van 80 km/h en de andere helft met een snelheid van 120 km/h. Bij de volgende vragen wordt de arbeid verricht door de motor om te versnellen verwaarloosd.
c) Laat met behulp van Figuur 2.5 en een berekening zien dat de tweede auto een hoger benzineverbruik dan de eerste auto heeft.
d) Bereken hoeveel procent het benzineverbruik van de tweede auto groter is dan het benzineverbruik van de eerste auto.
Opgave 2: Energieverbruik door autoverlichting
Bestuurders van motorvoertuigen moeten worden verplicht om overdag hun dimlicht aan te hebben. Dat schreef minister van Verkeer aan de Tweede Kamer. De maatregel zou tientallen doden en vele gewonden per jaar schelen.
Om een idee te krijgen over het percentage verhoging van het benzineverbruik door het rijden met dimlichten overdag, gebruiken we de auto uit opgave 1 (Figuur 2.5). Bij een bepaalde snelheid heeft de auto heeft een gemiddeld verbruik van 1 op 16. Door het rijden met de dimlichten aan moet de motor een extra arbeid verrichten van 6 kJ per km.
a) Bereken hoeveel procent het extra energieverbruik is van het totale energie verbruik van deze auto.
De auto rijdt ongeveer 20•103 km per jaar met dimlicht aan met een gemiddelde snelheid van 50 km/h.
b) Bereken hoeveel liter benzine de auto per jaar extra verbruikt.
Opgave 3: Energieverbruik van verschillende vervoermiddelen
Kies een van de vervoermiddelen uit Tabel 2.1 en vul onderstaande tabel in. Kies in alle gevallen een motorrendement van 20%, incl. het menselijk lichaam als ‘motor’ (het is aangetoond dat het spierrendement van een (race)fietsende mens inderdaad in deze orde van grootte ligt).
Opgave 4: Invloeden op het energieverbruik van een auto
Marieke en Peter rijden met hun benzineauto voor een bezoek bij vrienden op en neer van Eindhoven naar Utrecht. De auto heeft een massa van 1207 kg en een frontaal oppervlak van 2 m2. De rolweerstandscoëfficiënt is 0,01 en de luchtweerstandscoëfficiënt is 0,25. Het rendement van de motor is 20%. Eén liter benzine levert 33•106 J/liter.
a) Bereken de totale weerstand die auto ondervindt bij een snelheid van 90 km/h.
b) Bereken de chemische energie die motor per km verbruikt om deze snelheid te kunnen rijden.
c) Bereken hoeveel kilometer de auto rijdt op 1 liter benzine.
Eenmaal in Utrecht rijden Marieke en Peter helaas verkeerd. Ze rijden een flinke tijd door woonerven waar ze slechts 30 km/h mogen rijden.
d) Herhaal de berekeningen a, b en c voor een auto die door een woonerf rijdt met een gemiddelde snelheid van 30 km/h.
Het werkelijke benzinegebruik van Marieke en Peter bij 90 km/h was 1 op 20. Het werkelijke benzineverbruik van de auto bij een snelheid van 30 km/h was echter 1 op 14.
e) Geef een verklaring voor het grote verschil tussen het werkelijke verbruik en het verbruik berekend onder vraag d.
Tijdens het rijden met een gemiddelde snelheid van 30 km/h moest de auto 10 keer per uur versnellen van 10 tot 30 km/h.
f) Bereken het gemiddelde benzineverbruik van de auto.
De emissie van CO2 bedraagt ongeveer 2,32 - 2,4 kg CO2 per liter benzine.
g) Bereken hoeveel CO2 komt er vrij als de auto twee uur lang rijdt met een constante snelheid van 110 km/h.
3. Energie uit een brandbare stof
3.1 Practicum
De energie die nodig is om een voertuig te laten bewegen is vaak afkomstig van een brandstof (brandbare stof). De energie die vrij komt bij het verbranden van een brandbare stof kunnen we met een experiment bepalen. We noemen deze energie dan de verbrandingswarmte of meer algemeen de reactiewarmte. We verwarmen met de warmte die vrij komt bij een verbranding een bekende hoeveelheid water. Daardoor verandert de temperatuur van het water. Uit die temperatuursverandering kunnen we de vrijgekomen energie berekenen met behulp van de onderstaande formule:
De soortelijke warmte van water kun je vinden in Tabel 11 van Binas.
Opdracht 1
Bepaal van een brandbare stof de energie-inhoud door te meten hoeveel de temperatuur van een bekende hoeveelheid water toeneemt als je een bekende hoeveelheid brandbare stof eronder verbrand.
- Weeg ongeveer 50 gram water precies af in je erlenmeyer, klem de erlenmeyer aan het statief.
- Weeg je brandbare stof.
- Meet de temperatuur van het water. Laat de thermometer niet op de bodem van de erlenmeyer rusten, hang hem voorzichtig in een statiefklem.
- Steek de brandbare stof aan. Zorg dat de vlam de erlenmeyer niet raakt, er mag geen roet ontstaan.
- Wacht tot het water ongeveer 3-5 graden warmer is geworden. Vergeet niet om even te roeren voordat je de eindtemperatuur afleest. Noteer de exacte temperatuur.
- Doof de vlam.
- Weeg de overgebleven brandbare stof.
Vragen bij opdracht 1
1. Wat was het temperatuur verschil van het water?
2. Bereken hoeveel gram brandbare stof je hebt verbrand.
3. Bereken de reactiewarmte per gram stof.
4. Bereken de verbrandingsenergie in kJ mol-1. Vraag je docent om een waarde voor de molmassa van je brandstof.
Opdracht 2
Herhaal opdracht 1, maar maak nu van een stuk aluminiumfolie een schoorsteentje rond de brandbare stof zodat er minder warmte wordt uitgestraald naar de omgeving. Let op: er moet nog voldoende zuurstof bij de brandbare stof kunnen komen.
Vragen bij opdracht 2
1. Wat was de temperatuurstijging van het water?
2. Bereken hoeveel gram brandbare stof je hebt verbrand.
3. Bereken de reactiewarmte per gram stof.
4. Bereken, als de exacte chemische samenstelling van je stof bekend is, de reactiewarmte in kJ mol-1
5.
a) Is de uitkomst van opdracht 2 anders dan de uitkomst van opdracht 1?
b) Waar komt dat door, denk je?
6. In sommige tabellenboeken staan ook waarden voor de reactiewarmte vermeld. Deze waarde zal waarschijnlijk afwijken van de waarde die jij bepaald hebt.
a) Als je in een tabellenboek de reactiewarmte zou zou opzoeken voor jouw stof, zou je dan een hogere of een lagere waarde verwachten dan de waarde die jij bepaald hebt?
b) Waardoor zou het verschil zijn ontstaan?
7. Vergelijk de waarde die jij gevonden hebt eens met waarden van anderen uit je klas.
a) Hebben alle stoffen dezelfde reactiewarmte?
b) Hebben jullie voor dezelfde stof altijd dezelfde reactiewarmte bepaald?
c) Kun je de verschillen die je bij a en b hebt gezien verklaren?
3.2 Energieberekeningen en energiediagrammen
In Hoofdstuk 2 Kracht, Arbeid en Brandstofverbruik hebben we geleerd dat om een voertuig te laten rijden een hoeveelheid energie moet worden toegevoegd. Veel voertuigen halen deze energie uit een fossiele brandstof, bijvoorbeeld benzine, maar als we zelf een fiets moeten voortbewegen komt de energie uit ons voedsel.
Tijdens de scheikunde lessen heb je geleerd dat er reacties zijn die netto energie leveren, de exotherme reacties. Er bestaan ook reacties waarbij energie moet worden toegevoerd aan de reagerende stoffen om de reactie tot stand te brengen, dit noemen we een endotherme reactie.
Tijdens het practicum hebben we kunnen zien dat verschillende brandstoffen verschillende hoeveelheden energie leveren. We zouden natuurlijk voor alle soorten brandstoffen de reactiewarmte, of wel het energie-effect van de verbranding, kunnen bepalen met een experiment, maar het is ook mogelijk het energie-effect te berekenen. We moeten dan wel weten waaruit de brandstof bestaat: de molecuulformule en structuurformule moeten bekend zijn. Bovendien moeten we dan weten welke verbrandingsproducten er ontstaan. Om daar achter te komen kunnen we de reactievergelijking voor de verbranding opstellen.
Vragen
1. Aan welke drie voorwaarden moet worden voldaan bij een verbranding?
2. Koolwaterstoffen (stoffen die alleen uit koolstof (C) en waterstof (H) bestaan) branden over het algemeen goed. Welke twee verbrandingsproducten verwacht je bij de volledige verbranding van een koolwaterstof?
3. Ethaan is een koolwaterstof met de molecuulformule C2H6.
a) Stel de reactievergelijking op voor de verbranding van ethaan.
b) Hoeveel ethaanmoleculen en zuurstofmoleculen heb je nodig om de reactievergelijking kloppend te maken?
c) Bereken de molverhouding ethaan:zuurstof.
4. Ethanol, beter bekend onder de naam alcohol, is ook een prima brandstof. De molecuul formule van ethanol is C2H5OH.
a) Stel de reactievergelijking op voor de verbranding van ethanol.
b) Hoeveel ethanol moleculen en zuurstofmoleculen heb je nodig om de reactievergelijking kloppend te maken?
c) Bereken de molverhouding ethanol:zuurstof.
d) Kun je uitleggen waarom de molverhouding brandstof:zuurstof hier anders is dan bij de vorige vraag?
We hebben even kunnen oefenen met het opstellen van een reactievergelijking. We weten ook weer aan welke voorwaarden er moet worden voldaan om een verbrandingsreactie plaats te laten vinden. Nu kunnen we beginnen met het uitrekenen van de reactiewarmte van een verbranding. In de komende paragraaf gaan jullie aan de slag met de verbranding van methaan. Hiermee zullen jullie stapje voor stapje leren hoe de reactiewarmte moet worden berekend.
3.2.1 De verbranding van aardgas
De verbranding van aardgas kennen we allemaal uit de praktijk. We maken gebruik van deze reactie bij het koken van ons avondeten op een gasfornuis en ook bij het scheikundepracticum als we met een brander aan de slag gaan. We gebruiken de verbranding van aardgas meestal om iets te verwarmen. Bij deze reactie komt namelijk energie vrij, het is dus een exotherme reactie. Aardgas bestaat voor het grootste deel uit methaan. Methaan heeft als molecuulformule CH4, dit betekent dat aan het C-atoom (koolstof) vier H-atomen (waterstof) gebonden zijn.
Vragen en opdrachten
1. Stel de reactievergelijking op voor de volledige verbranding van methaan.
2. Teken deze reactievergelijking ook in structuurformules.
3. Kijk goed naar de moleculen die je hebt getekend en tel van elk type binding hoeveel er in jouw moleculen aanwezig zijn. Vul de aantallen in Tabel 3.1 in.
We weten nu welke bindingen in de stoffen die voor de pijl staan aanwezig zijn. We hebben ook geteld hoeveel van deze bindingen er zijn. Waarom is dit belangrijk om te weten? Bij een verbrandingsreactie worden de beginstoffen (brandstof en zuurstof) omgezet in reactieproducten, in dit geval CO2 en H2O. De moleculen veranderen dus in andere moleculen en hiervoor moeten de oude bindingen worden verbroken en worden er nieuwe bindingen gevormd.
4. Als je nu alle bindingen in je moleculen verbreekt, houdt je losse atomen over. Noteer in Tabel 3.2 hieronder hoeveel van elke atoomsoort je nu hebt.
Nu worden de stoffen die je in de reactievergelijking bij vraag 1 hebt opgeschreven gemaakt uit de losse atomen die je bij vraag 4 hebt genoteerd.
5. Kijk goed naar de moleculen die je na de pijl hebt getekend en tel van elk type binding hoeveel er in de moleculen aanwezig zijn. Vul de aantallen in Tabel 3.3 in.
We weten nu precies welke bindingen verbroken worden en welke bindingen moeten worden gemaakt bij de verbranding van methaan. We weten ook dat er energie is vrijgekomen bij de verbranding. Met andere woorden: de energie-inhoud van de stoffen na de reactie (verbrandingsproducten) moet lager zijn dan de energie-inhoud van methaan en zuurstof (reactanten).
Het totaal aantal atomen voor en na de pijl is niet veranderd. Alleen de bindingen tussen de atomen zijn anders geworden. De energie die vrij komt bij de verbranding moet dus wel te maken hebben met het veranderen van de bindingen. Het breken van een sterke binding kost relatief veel energie. Bij het vormen van een dergelijke sterke binding komt diezelfde hoeveelheid energie weer vrij. Hoeveel energie er vrij komt bij het vormen van een bepaalde binding kunnen we vinden in Tabel 58 van Binas.
6. Nu kun je gaan rekenen. Vul alle benodigde gegevens in Tabel 3.4 in.
7. Reken uit hoeveel energie je totaal nodig hebt om de bindingen voor de pijl te verbreken.
8. Reken ook uit hoeveel energie er vrij komt bij het vormen van de bindingen naar de pijl.
De reactiewarmte, of wel de het energie-effect van een reactie, kunnen we op de volgende manier uitrekenen:
Let hierbij wel op dat het juiste teken (min of plus) wordt gebruikt.
- Het breken van bindingen kost energie: + teken.
- Het maken van bindingen levert energie: - teken.
9. Bereken de reactiewarmte voor de verbranding van methaan.
Alle stappen die we hierboven hebt uitgevoerd kunnen we ook overzichtelijk weergeven in een zogenaamd energiediagram.
Hieronder staat een energiediagram voor een exotherme reactie. Op de y-as staat de energie (daar bedoelen we de energie-inhoud mee) en op de x-as staat het reactieverloop. Hiermee bedoelen we dat we de reactie als het ware in stukjes knippen en elk stapje apart weergeven.
10. Het energiediagram in Figuur 3.4 is nog niet helemaal af. De stoffen die reageren en ontstaan zijn nog niet weergegeven en bij de pijlen staan nog niet de juiste energie-effecten weergegeven. Zet de juiste stoffen bij A, B en C en zet ook de juiste waarden bij I, II en III.
3.2.2 Hoeveel CO2 komt er vrij per gereden kilometer?
Als we met een motorvoertuig gaan rijden gebruiken we meestal benzine of diesel als brandstof. Bij de verbranding van deze fossiele (en bio-) brandstoffen komt CO2 vrij. De hoeveelheid CO2 die vrijkomt per gereden km bepaald voor een groot deel hoe belastend het gebruik van een specifiek voertuig is voor het milieu. In Europa staat op het energielabel (een label dat wordt meegeleverd bij de verkoop van onder andere auto’s, elektrische apparaten, lampen en gebouwen) wat de uitstoot aan CO2 is in gram per gereden km. De waarde van het label (A t/m G) wordt niet alleen bepaald door de totale CO2-uitstoot, maar door hoe zuinig een auto is ten opzichte van het gemiddelde. Men houdt dan rekening met de grootte van de auto.
De fabrikant meet hoeveel CO2 er vrijkomt per gereden kilometer. We kunnen aan de hand van de reactievergelijking, de dichtheid van de brandstof en het verbruik ook zelf een schatting maken.
3.3 Opgaven
Opgave 1: Verbrandingswarmte van ethaan
Het molecuul ethaan heeft molecuulformule C2H6 en de structuurformule staat hieronder. De reactievergelijking voor de verbranding van ethaan had je bij vraag a) uit paragraaf 3.2 al opgeschreven.
a) Schrijf nu diezelfde reactievergelijking op met structuurformules.
b) Welke en hoeveel bindingen moet je verbreken (voor de pijl)?
c) Welke en hoeveel bindingen moet je vormen (na de pijl)?
d) Bereken de energie die nodig is om alle bindingen te verbreken.
e) Bereken hoeveel energie er vrij komt bij het vormen van de nieuwe bindingen.
f) Wat is de reactiewarmte in kJ mol-1?
g) Is de verbranding van ethaan een endotherme of een exotherme reactie?
Opgave 2: De vergisting van glucose
Ethanol wordt vaak als biobrandstof gebruikt. Het is eenvoudig te fabriceren door het vergisten van suikers (bijv. glucose). Hieronder zie je de reactievergelijking voor het vergisten van glucose (C6H12O6) naar ethanol in structuurformules en molecuulformules. De CH2OH groep betekent dat er aan deze koolstof twee H atomen gebonden zitten en een O-atoom; aan het zuurstof atoom zit nog een H vast om de OH-groep te vormen. In iedere OH-groep zit uiteraard een O-H binding.
a) Bereken de reactiewarmte voor het vergisten van glucose.
b) Teken het energiediagram voor deze reactie.
c) Hoeveel energie komt er vervolgens vrij als we ethanol verbranden?
Opgave 3: Diesel en benzine
Benzine en diesel zijn geen zuivere stoffen maar mengsels. De precieze samenstelling van deze mengsels varieert en hangt onder andere af van de ruwe olie (aardolie) waaruit de benzine en diesel gemaakt wordt. Als je wil rekenen aan de reactiewarmte die vrijkomt bij de verbranding van een brandstof dan moet je de exacte samenstelling van de stof weten. Voor benzine mag je aannemen dat de gemiddelde samenstelling goed beschreven wordt door C8H16 en voor diesel dat het goed wordt beschreven door C15H32.
a) Teken de “gemiddelde” structuurformule van benzine en diesel.
b) Stel de reactievergelijking op voor de verbranding van de “gemiddelde” benzine en diesel.
c) Hoeveel energie komt er vrij bij de verbranding van benzine en diesel?
Opgave 4: CO2-uitstoot en energielabels
Een autofabrikant geeft in de specificaties van een Porsche 911 op dat de CO2-uitstoot per gereden kilometer gelijk is aan 263 g km-1.
a) Hoeveel liter benzine verbruikt deze auto per 100 km?
Een hybride auto zoals de Toyota Prius rijdt 1 op 25,6.
b) Wat bedoelen we precies met “1 op 25,6”?
c) Wat zal de CO2-uitstoot per gereden km zijn voor dit soort auto’s?
De Porsche krijgt een energielabel G (Figuur 3.5) toegekend.
d) Vind je dat terecht op basis van je eigen berekeningen en de gegevens hierboven?
e) Welk label zou jij aan de hybride auto toekennen?
Modelleren – Keuze maken uit verschillende vervoersmiddelen
4.1 Inleiding
Als je een afstand wilt afleggen, bijvoorbeeld van huis naar school, dan heb je hierbij vaak de keuze uit verschillende vervoermiddelen. Je kunt er bijvoorbeeld voor kiezen om naar school te gaan met een fiets, een brommer of een bus. De keuze van het vervoermiddel hangt meestal af van meerdere factoren. Waarschijnlijk is de reistijd voor jou een belangrijke factor en wil je de afstand naar school binnen een bepaalde tijd hebben afgelegd. De kosten van het vervoermiddel spelen natuurlijk ook een rol. Mogelijk wil je niet te veel geld uitgeven aan de reis naar school en kies je daarom liever voor een bus dan voor een taxi. Naast de factoren “reistijd” en “reiskosten” zou je ook milieuaspecten kunnen laten meewegen. Wat is de totale CO2-uitstoot die de rit naar school veroorzaakt? Als je milieuaspecten mee laat wegen, dan kies je misschien toch liever voor de fiets.
4.2 Lineair verband
De prijs van een taxirit bestaat vaak uit twee delen: een vast deel, vaak de voorrijkosten genoemd, en een deel dat afhankelijk is van het aantal uren (of kilometers) dat er gereden wordt.
Zo'n rekening kun je wiskundig vastleggen in een formule (model) van de vorm:
Opgave 1:
Teken de grafiek van K(n) als gegeven is dat het instaptarief 80 cent is en het tarief per km 48 cent is.
Dit model kun je ook gebruiken als benadering bij andere berekeningen, bijvoorbeeld voor de uitstoot van CO2 of de kosten van vervoer.
4.3 Reizen van huis naar school
Jan Verbeek, een leerling van het Marie Curie Lyceum, woont te Helmond. Hij wil ’s ochtends van zijn huis naar school. De af te leggen afstand is 12 km.
Aan de reis naar school worden de volgende voorwaarden gesteld:
- Voor het afleggen van het traject kan Jan kiezen uit een fiets, een brommer, een bus of een taxi.
- Het hele traject dient met één vervoermiddel te worden afgelegd; het is dus niet mogelijk om een deel van het traject met een fiets af te leggen en een ander deel met de bus.
- We gaan er voor het gemak van uit dat er een rechtstreekse busverbinding is tussen Jan zijn huis en zijn school.
- De route die Jan moet afleggen is bij elk vervoermiddel hetzelfde; er zijn geen fietspaden of busbanen die een deel van de route afsnijden.
Bij de reis naar school spelen drie parameters een rol:
- Tijd: De tijd die nodig is om de rit naar school af te leggen.
- Kosten: De totale kosten van de rit naar school
- CO2-uitstoot: De totale CO2-uitstoot die de rit naar school veroorzaakt.
Op basis van deze drie parameters wil Jan een afgewogen besluit nemen over het te kiezen vervoermiddel.
Bij elk van de vervoermiddelen kan de leerling een gemiddelde snelheid kiezen voor de rit naar school. De te kiezen gemiddelde snelheid hangt af van het vervoermiddel. Onderstaande tabel geeft per vervoermiddel het bereik weer van de te kiezen gemiddelde snelheid.
Voorbeeld: Bij gebruik van het vervoermiddel “bus” kan Jan kiezen uit een gemiddelde snelheid van 20 km/h, 21 km/h, 22 km/h, …. tot en met 50 km/h voor de rit naar school.
De kosten van het gebruik van een vervoermiddel zijn weergegeven in Tabel 4.2 De kosten bestaan uit vaste kosten (per rit) en variabele kosten (per gereden km):
4.4 Opgaven
Opgave 1:
Stel met behulp van de uitleg uit paragraaf 4.3 en met de gegevens uit Tabel 4.2 de kostenfunctie K(n) op voor elk van de vervoermiddelen.
In paragraaf 3.2.2 hebben jullie gezien hoe de CO2-uitstoot van een Ford Focus berekend kan worden. De CO2-uitstoot van een vervoermiddel (uitgedrukt in g/km) is afhankelijk van de gemiddelde snelheid v (uitgedrukt in km/h). Tabel 4.3 geeft formules voor het berekenen van de CO2-uitstoot per reizigerskilometer van de verschillende vervoermiddelen.
Opgave 2:
Jan legt de rit naar school af met een gemiddelde snelheid van 20 km/h.
a) Bij de keuze van welk vervoermiddel is de CO2-uitstoot het hoogst? Bereken de CO2-uitstoot voor de totale rit.
b) Bij de keuze van welk vervoermiddel is de CO2-uitstoot het laagst? Geef de CO2-uitstoot voor de totale rit.
c) Bij de keuze van welk vervoermiddel is de CO2-uitstoot het laagst?
d) Bereken bij de keuze van dit vervoermiddel de CO2-uitstoot voor de totale rit.
Opgave 3:
Jan wil maximaal 8 euro uitgeven aan de rit naar school. Binnen deze randvoorwaarde wil Jan de rit naar school zo snel mogelijk afleggen.
a) Welk vervoermiddel kan Jan het beste kiezen?
b) Welke snelheid moet Jan te kiezen?
c) Hoelang duurt de rit naar school?
d) Hoe hoog is de CO2-uitstoot van de rit naar school?
Opgave 4:
Jan is milieubewust en eist een maximale CO2-uitstoot van 750 gram CO2 voor de rit naar school. Binnen deze randvoorwaarde wil Jan zo snel mogelijk op school zijn.
a) Welk vervoermiddel kan Jan nu het beste kiezen?
b) Welke snelheid moet Jan aanhouden?
c) Hoelang duurt de rit naar school?
Wetenschappers doen momenteel onderzoek naar het afvangen en opslaan van CO2 in lege gasvelden. Deze techniek wordt ook wel Carbon Capture and Storage (CCS) genoemd. CCS is een techniek waarbij fossiele brandstoffen (bijna) klimaatneutraal kunnen worden toegepast. Door het CO2 af te vangen en op te slaan, komt het CO2 niet meer in het milieu terecht.
Met het afvangen en opslaan van CO2 zijn kosten gemoeid. Voor het vervoer van de CO2 naar lege gasvelden dienen pijpleidingen te worden aangelegd. Daarnaast kost het afvangen van CO2 extra energie en zijn er kosten voor het gebruik van hulpstoffen. Er zijn weinig betrouwbare cijfers voor de kosten van CCS. Een schatting is dat de gemiddelde kosten voor het afvangen en opslaan van 1 ton CO2 gelijk zijn aan 150 Euro.
Opgave 5:
Jan besluit elke dag met de bus op en neer te reizen naar school. Een schooljaar heeft 200 schooldagen.
a) Hoeveel moet Jan per jaar betalen voor de busreizen tussen zijn huis en de school? Gebruik hiervoor de kostenfunctie die je in opgave 1 hebt opgesteld.
b) Bereken de totale CO2-uitstoot van de busreizen per jaar. Ga hierbij uit van een gemiddelde snelheid van de bus van 50 km/h. Gebruik het model dat is gegeven in Tabel 4.3
c) Bereken de totale kosten voor de afvang en opslag van de hoeveelheid CO2 die je bij vraag b) hebt berekend. Ga hierbij uit van CCS kosten van 150 Euro per 1 ton CO2.
d) Hoeveel procent duurder wordt de busreis naar school als de prijs van CCS wordt meegenomen in de prijzen van de buskaartjes?
5 Kennen, Kunnen en Begrijpen
Bij afronden van deze module moet je de volgende zaken kennen, kunnen en begrijpen.
Hoofdstuk 1
- Je kunt een aantal soorten (fossiele) brandstoffen noemen.
- Je kunt vertellen welke vervoermiddelen gebruik maken van fossiele brandstoffen.
- Je kunt uitleggen waarom men het belangrijk vindt de groei van het verkeer te verminderen.
- Je kunt een aantal alternatieve energiebronnen noemen.
- Je kunt uitleggen wat er bedoeld wordt met het versterkt broeikaseffect en wat de mogelijke gevolgen hiervan zijn.
- Je kunt uitleggen wat de mogelijke gevolgen zijn (positief en negatief) van een wereldwijd olietekort.
Hoofdstuk 2
- Je kunt de rolweerstand van een auto, bus of trein uitrekenen.
- Je kunt de luchtweerstand van een auto, bus of trein uitrekenen.
- Je kunt de arbeid uitrekenen die verricht moet worden om met een constante snelheid te rijden.
- Je weet wat een verbrandingsmotor is.
- Je kunt het brandstofverbruik bij constante snelheid berekenen.
- Je kunt een aantal invloeden op het brandstofverbruik van een auto noemen en berekenen.
Hoofdstuk 3
- Je kunt de reactiewarmte voor een willekeurige reactie berekenen.
- Je kunt uitleggen (aan de hand van de berekende reactiewarmte) of een reactie endotherm of exotherm is.
- Je bent in staat een energiediagram te tekenen.
- Je kunt aangeven in het energiediagram wat de reactiewarmte is.
- Je kunt aangeven wat er op de y-as van het diagram staat.
- Je kunt berekenen hoeveel CO2 er vrijkomt bij het verbranden van een bepaalde hoeveelheid organische brandstof.
Hoofdstuk 4
- Je weet hoe je de verschillende keuzecriteria (reistijd, reiskosten en CO2-uitstoot) kunt modelleren
- Je kunt op basis van een model een afgewogen keuze kunt maken uit verschillende vervoermiddelen.
- Je weet dat milieufactoren (zoals de CO2-uitstoot) kosten met zich meebrengen, net als economische factoren (zoals reiskosten).
6. Extra informatie praktische opdracht
Opdracht A: Duurzame energie en vervoer
De laatste jaren begint men warm te lopen voor het gebruik van gemotoriseerde vervoermiddelen die niet op benzine of diesel rijden. Hiermee hoopt men de uitstoot van het broeikasgas CO2 te verminderen. Een voorbeeld van een dergelijk vervoermiddel is een elektrische brommer of scooter.
De elektriciteit om deze vervoermiddelen te laten rijden moet nog wel worden opgewekt. Als je dat met een gewone kolen- of gasgestookte elektriciteitscentrale doet komt er nog steeds CO2 in de lucht. Dat is niet erg duurzaam.
Maar wanneer mag je een elektrische brommer of scooter dan wel duurzaam noemen? Wat is duurzaam, wat is de definitie?
Zoek uit wat men verstaat onder duurzaam vervoer en bepaal wanneer je een elektrische brommer of scooter duurzaam zou mogen noemen. Houd hierbij rekening met de CO2-uitstoot en eventuele andere nadelige effecten van een energiebron.
Steekwoorden:
duurzaam, opwekken van elektrische energie, groene energie, kernenergie, accu, batterij, elektromotor, hybride auto.
Nuttige websites:
Website van de energieraad:
http://www.energieraad.nl/newsitem.asp?pageid=22982
Belangenorganisatie elektrisch vervoer:
http://www.elektrischvervoernederland.nl/index.php
Verzameling van links:
http://elektrisch-vervoer.startpagina.nl/
Website milieu-centraal:
http://www.milieucentraal.nl/pagina.aspx?onderwerp=Duurzame_energiebronnen
Wiki over duurzame energie:
http://nl.wikipedia.org/wiki/Duurzame_energie
Opdracht B: Well to Wheel
De laatste jaren is er steeds meer aandacht voor de vermindering van de CO2-uitstoot van vervoermiddelen. Traditionele (benzine/diesel) voertuigen zouden vervangen kunnen worden door voertuigen die rijden op elektriciteit of waterstof (H2). Het gebruik van elektrische bussen en auto’s neemt toe. In verschillende Europese steden zijn al proeven gedaan met H2-bussen en auto’s.
De door automobielfabrikanten gepubliceerde CO2-uitstoot in grammen per kilometer betreft altijd de zogenaamde ‘tank-to-wheel’ cijfers, ofwel de uitstoot die de auto zelf produceert. Bij het streven naar de reductie van CO2-uitstoot is het niet voldoende om alleen te kijken naar de CO2-uitstoot ten gevolge van de verbranding van een gekozen brandstof (diesel, elektriciteit, H2). De uitstoot in het hele voortraject, dus de fase waarin de productie van fossiele brandstoffen plaatsvindt, is niet meegerekend. Dit zogenaamde ‘well-to-tank’ gedeelte is echter net zo goed verantwoordelijk voor CO2-uitstoot en dient dus meegenomen te worden. Daarmee ontstaat een eerlijk beeld van de uitstoot in de gehele keten. Dit wordt ook wel ‘wellto-wheel’ genoemd.
Welke factoren spelen een rol bij het bepalen van de CO2-uitstoot van een vervoermiddel? Ga hierbij uit van een ‘well-to-wheel’ benadering en kies ten minste één van de volgende drie vervoermiddelen: een dieselbus, een elektrische bus en/of een H2-bus.
Maak een zo nauwkeurig mogelijke berekening/schatting van de CO2-uitstoot van de gekozen vervoermiddelen en geef hierbij aan welke factoren uit de vorige vraag je bij deze berekening hebt meegenomen en welke factoren je niet hebt meegenomen.
Welke conclusies kun je trekken uit je analyse en berekening?
Steekwoorden:
Well to Wheel, CO2-uitstoot, waterstofbus, elektrische auto.
Nuttige websites:
Wiki duurzame mobiliteit:
http://wikimobi.nl/wiki/index.php?title=W2W:_Kolen,_Verbranden_(CCS),_Stoomturbine,_Elektriciteit,_Elektrolyse,_H2,_Waterstof_hybride_motor
QUICC:
http://www.quicc.eu/Well-to-Wheel_nl
De Lijn:
http://www.delijn.be/u_bent/pers/persberichten/waterstofbus.htm
De Lijn:
http://www.delijn.be/over/milieu/co2_uitstoot_verkeer.htm
Duurzame Energie Thuis:
http://www.duurzameenergiethuis.nl/mobiliteit/de-duurzaamheid-van-de-elektrischeauto-wel-of-niet-minder-co2-uitstoot-3019.html
Visie document Enexis:
http://www.enexis.nl/site/Images/visiedocument-elektrisch_rijden_tcm301-66310.pdf
ECN:
http://www.ecn.nl/docs/library/report/2003/c03009.pdf
HyMove:
http://www.hymove.nl/nl/waterstof-toepassingen/h2-projecten/
Opdracht C: Wettelijke maatregelen om CO2-uitstoot te reduceren
Op nationaal, Europees en wereldwijd niveau wordt veel gedaan aan regelgeving om de CO2-uitstoot te reduceren. Het Europees parlement heeft het streven om in 2012 de gemiddelde CO2-uitstoot van de in Europa verkochte auto’s per merk terug te dringen tot 120 gr/km. Het is de bedoeling is dat autofabrikanten streven naar een niveau van 130 kg/km voor nieuwe auto’s, en dat er een aanvullend beleid komt voor de stimulering van bijvoorbeeld energiezuinige auto-airco’s, autobanden met een verminderde rolweerstand, en het vergroten van het gebruik van biobrandstoffen.
Daarnaast wordt ook de consument aangespoord om bewustere keuzes te maken in het kopen en/of rijden van auto’s. Zo is er bijvoorbeeld een reductie ingevoerd voor de BPM (Belasting van Personenauto's en Motorrijwielen) voor energiezuinige auto’s. Ook wordt het Nieuwe Rijden gepromoot, een rijstijl die aangepast is aan de techniek van de moderne auto.
Naast deze maatregelen om de CO2-uitstoot te reduceren, zijn er ook maatregelen die de regering wil nemen die juist de CO2-uitstoot zouden kunnen verhogen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het verhogen van de maximum snelheid van 120 km/h tot 130 km/h, of het invoeren van verplicht rijden met autolichten aan overdag.
Kies enkele maatregelen die de regering heeft ingevoerd of wil invoeren en bespreek wat de invloed hiervan is op de CO2-uitstoot. Wat zou je zelf adviseren aan de regering?
Steekwoorden:
Wetten en regelgeving, BPM, Nieuwe Rijden, zuinige airco, rolweerstand autobanden, autoverlichting, maximum snelheid.
Nuttige websites:
Achtergrond Europese regelgeving CO2-uitstoot personenauto’s:
http://www.compendiumvoordeleefomgeving.nl/indicatoren/nl0134-Koolstofdioxideemissie-per-voertuigkilometer-voor-personenauto's.html?i=5-20
Recente plannen voor CO2-afhankelijke BPM reductie:
http://www.prinsjesdag2010.nl/archief/2008/effect_op_u/automobilisten_en_ovreizigers/automobilisten
Nieuwe rijstijl:
http://www.hetnieuwerijden.nl
Rijden met de lichten aan:
http://www.rijksoverheid.nl/documenten-en-publicaties/vragen-en-antwoorden/moetik-overdag-altijd-dimlicht-aan-hebben.html
Verhogen maximumsnelheid:
http://www.rijkswaterstaat.nl/wegen/innovatie_en_onderzoek/maximumsnelheden/
Opdracht D: De voor- en nadelen van alternatieve brandstoffen
Bij de keuze van een brandstofsoort voor een vervoermiddel komen er naast benzine en diesel steeds meer alternatieven beschikbaar. Denk bijvoorbeeld aan bio-ethanol, brandstofcellen en waterstof.
Bio-ethanol wordt verkregen door microbiële fermentatie van suikers uit bijvoorbeeld suikerriet en maïs, doorgaans met behulp van een gistingsproces.
Een brandstofcel is elektrochemisch toestel dat chemische energie van een doorgaande reactie direct omzet in elektrische energie. Een brandstofcel lijkt op een accu, echter het grote verschil met een accu is dat bij een brandstofcel reagentia (zoals waterstof en zuurstof) van buitenaf worden aangevoerd.
Welke factoren spelen een rol bij de keuze van een (alternatieve) brandstof voor vervoer? Welke voor- en nadelen zijn er met betrekking tot het gebruik van een alternatieve brandstof? (kies hierbij uit bio-ethanol, een brandstofcel of waterstof)
Welke conclusies kun je trekken uit de bij de vorige vragen gevonden antwoorden?
Steekwoorden:
Alternatieve brandstoffen, biogas, waterstof, bio-ethanol, brandstofcel
Nuttige websites:
Biogas:
http://www.biogas.nl/de-voordelen/
Biomass Technology Group:
http://www.btgworld.com/uploads/documents/BTG-Factsheet%20Brandstofcel_20-02-2007.pdf
ECN:
http://www.ecn.nl/nl/units/h2sf/extra/waarom-brandstofcellen/brandstofcellen-voorvoertuigen/voordelen/
Wikipedia:
http://nl.wikipedia.org/wiki/Waterstofauto
Opdracht E: Wat doet een katalysator in de auto?
Bijna iedereen weet dat er in een auto een katalysator wordt gebruikt. Hiernaast zie je een afbeelding van zo’n katalysator, de euromunt ernaast geeft je een idee van de afmetingen ervan. 
Een katalysator is opgebouwd uit allemaal kleine kanaaltjes waardoor het uitlaatgas naar buiten stroomt. Ondertussen zorgt de katalysator ervoor dat de schadelijke stoffen in het uitlaatgas niet worden uitgestoten. Ze worden omgezet in minder schadelijke stoffen. Om welke schadelijke stoffen gaat het eigenlijk en waarin worden ze veranderd?
Zoek uit hoe een katalysator de schadelijke stoffen in uitlaatgas omzet in minder schadelijke stoffen. Waar is de katalysator van gemaakt?
Steekwoorden:
katalysator, driewegkatalysator, uitlaatgas, stikstofoxiden, koolstofmonoxide, onvolledige verbranding, metalen, rhodium, palladium, platina
Nuttige websites:
Wiki over katalysatoren (algemeen):
http://nl.wikipedia.org/wiki/Katalysator
Wiki over auto katalysator:
http://nl.wikipedia.org/wiki/Driewegkatalysator
Eenvoudige uitleg over werking katalysator van een auto:
http://mediatheek.thinkquest.nl/~lle0138/artikelen-uitlaat.php
Uitleg werking driewegkatalysator:
http://old.iupac.org/didac/Didac%20Ned/Didac03/Content/L08.htm
Youtube filmpje over katalysator, geen tekst:
http://www.youtube.com/watch?v=YJPzQ5TYKz4&feature=related
Opdracht F: Vermindering luchtvervuiling
Naast CO2 komen er in brandstof nog andere stoffen voor die bijdragen aan de luchtvervuiling zoals stikstof en zwavel. Bij onvolledige verbranding aan zuurstof komen deze stoffen ook in de lucht. Het autoverkeer is in belangrijke mate verantwoordelijk voor deze vervuiling. Hieronder worden twee manieren genoemd die de vervuiling niet laten verdwijnen, maar wel kunnen bijdragen aan een vermindering van de luchtvervuiling. Kies een beide van beide manieren, of maak een vergelijking.
Denk daarbij aan vragen als:
- Hoeveel draagt deze maatregel bij aan de vermindering van de luchtvervuiling?
- Hoeveel gaat deze maatregel kosten?
- Is dit een realistisch plan?
Manier 1: TiO2 straatstenen verminderen stikstofoxiden.
Kun je langs de weg een scherm maken met stenen die bestreken zijn met TiO2 om NO en NO2 uit de lucht te halen? Misschien is het ook wel een idee om de hele weg te bestrijken met TiO2 om meer stikstofoxiden uit de lucht te halen.
Manier 2: CO2-afvang en opslag.
Met enige regelmatig duiken er berichten op over de mogelijkheid om CO2 op te vangen en deze vervolgens ondergronds op te slaan om op die manier de vervuiling aan te pakken. Dit roept nogal wat weerstand op bij de mensen die dicht in de buurt wonen van zo'n geplande opslagplaats. Een ander idee is om de CO2 op te slaan in oude olie en gasvelden op de Noordzee.
Steekwoorden:
verminderen luchtvervuiling, TiO2, stikstofoxiden, CO2 afvangen, CO2 opslagplaats
Nuttige websites:
http://cleanscreen.nl/
http://www.rijksoverheid.nl/onderwerpen/co2-opslag
Opdracht G: Broeikaseffect
Zonder de dampkring zou de gemiddelde temperatuur op aarde ongeveer 255 K ofwel -18ºC zijn. De broeikasgassen zorgen ervoor dat de aarde op een goede, leefbare temperatuur blijft. Hierdoor heeft de aarde een aangenamere temperatuur van gemiddelde 288 K ofwel 15ºC. Een deel van de broeikasgassen hoort in onze atmosfeer. De hoeveelheid natuurlijke broeikasgassen wordt echter versterkt door menselijke activiteit, namelijk door de uitstoot van koolstofdioxide CO2 en andere gassen zoals methaan (CH4) en distikstofmonoxide (N2O).
Wat zijn de consequenties van de toename van broeikasgassenconcentratie in de atmosfeer? Zijn alle broeikasgassen even erg?
Wat zijn de mogelijke oplossingen om de forse toename van broeikasgassenconcentratie tegen te gaan? Kunnen we wel leven zonder broeikasgassen?
Steekwoorden:
Broeikaseffect, broeikasgassen, CO2 uitstoot, opwarming van de aarde, klimaatwijziging.
Nuttige websites:
http://m.opwarmingaarde.nl
http://www.milieucentraal.nl
http://www.kennislink.nl/publicaties/de-opwarming-van-de-aarde
Opdracht H: Auto op zonne-energie
De zonne-energie raceauto Nuna is de eerste Nederlandse auto die meedeed aan 3021 km lange Word Solar Challenge dwars door Australië. De auto is ontworpen door van aantal studenten van de Technische Universiteit Delft. Nuna won de wedstrijd in een tijd van 32 uur en 39 minuten; een gemiddelde snelheid van bijna 100 km/h. In Alaska (hét bewijs dat zonnecellen ook in koudere gebieden werken) is onlangs een zonneauto tot staan gebracht door de politie. De wagen weegt ongeveer 300 kg en haalt een snelheid van maar liefst 120 km/u. De bovenkant is in zijn geheel voorzien van monokristallijne zonnecellen met een rendement van 15%.
Onderzoek wat de voor- en nadelen zijn van zonne-energie als alternatieve brandstoffen voor vervoer. Hoe realistisch is het om auto’s op zonne-energie te laten rijden? Hoeveel energie straalt de zon eigenlijk uit?
Vergelijk het vermogen van een zonne-energieauto bij een optimale zonintensiteit met het vermogen van een benzineauto.
Steekwoorden:
Word Solar Challange, Nuna, zonne-auto, zonnewagen, zonne-energie, zonnepanelen, zonnecellenrendement.
Nuttige websites:
http://www.zonnepanelen-info.nl/
http://nl.wikipedia.org/wiki/Zonnewagen
http://www.unavenirquiroule.be/studenten/default.aspx?id=48&category=18
Opdracht I: Elektrische motor/Accu
Een auto met een elektrische motor rijdt niet op brandstof maar op elektriciteit. Door het gebruik van elektriciteit stoten elektrische auto’s aanzienlijk minder CO2, fijnstof en andere schadelijke stoffen uit. De elektriciteit wordt opgeslagen in accu´s, het meest belangrijke onderdeel van de elektrische auto. Voorlopig is het gewicht van deze accu’s het grootste probleem: accu’s met evenveel energie als een tank vol benzine hebben een gewicht ongeveer gelijk aan die van de auto zelf. Bovendien is de oplaadtijd van deze accu’s extreem lang.
Onderzoek wat de voor- en nadelen zijn van elektriciteit als alternatieve brandstof voor het vervoer. Hoe realistisch is het om auto’s op elektriciteit te laten rijden? Hoe wordt de elektriciteit eigenlijk opgewekt?
Vergelijk de energie-efficiëntie en het rendement van elektrische motoren met die van verbrandingsmotoren.
Steekwoorden:
Lood accu’s, lithium-ion-accu’s, elektrische auto, Tesla motor.
Nuttige websites:
http://nl.wikipedia.org/wiki/Tesla_Roadster
http://batteryuniversity.com/learn/
http://www.elektrischeauto.nl/informatie/
Opdracht J: Energieverbruik en CO2-uitstoot treinverkeer
De NS claimt dat reizen met de trein 3 à 4 keer zo weinig CO2-uitstoot geeft als reizen met de auto. Alle auto’s de deur uit, en met de trein naar het werk dus! Of niet? Er spelen nogal wat verschillende factoren mee in de berekening van het energieverbruik/CO2-uitstoot van treinen. De bezettingsgraad bijvoorbeeld; een trein die maar voor een kwart gevuld is, is per persoon natuurlijk een stuk minder zuinig. En wat voor invloed heeft het aantal haltes op de zuinigheid? De trein is immers een zwaar object, en het kost dus veel energie om te versnellen of af te remmen.
Bovendien zijn er veel verschillende treinen: stoptreinen, sneltreinen, hogesnelheidstreinen, treinen op diesel of treinen op elektriciteit (en elektriciteit kan weer op verschillende manieren worden opgewekt). Een mogelijk nieuwe, energiezuinige oplossing is de magneetzweeftrein, wegens zijn lichte constructie en de afwezigheid van rolweerstand.
Bespreek in hoeverre de trein een energiebewuste keuze is voor verschillende afstanden, bijvoorbeeld van Eindhoven naar Weert, naar Groningen, naar Parijs of naar China. Geef de voor- en nadelen van treinverkeer wat betreft energieverbruik of CO2-uitstoot en laat hierbij zoveel mogelijk eigen berekeningen zien.
Steekwoorden:
NS, bezettingsgraad, remenergie, hogesnelheidstrein, magneetzweeftrein
Nuttige websites:
Energie en Klimaat – Berekeningen NS:
http://ns.nl/cs/Satellite/ns2007/nl/artikel/include/1198251860645/energie+en+klimaat?p=1193053732961
Informatie over energieverbruik – Prorail:
http://www.prorail.nl/Publiek/prorailprijsvraag/deprijsvraag/Pages/Informatie.aspx
Magneetzweeftrein:
http://nl.wikipedia.org/wiki/Magneetzweeftrein
Energieverbruik Hogesnelheidstrein:
http://www.eurostar.nl/pdf/treadlightly/reports/treadlightlyreport_nl_be.pdf
Ecochecker op NS HiSpeed:
http://www.nshispeed.nl/nl/algemeen-ns-hispeed/ns-hispeed-en-duurzaam-reizen
Opdracht K: De zuinigste auto
Hoe kunnen we de zuinigste auto ooit ontwikkelen? Een auto die een zo hoog mogelijk aantal kilometers rijdt per liter benzine. Jaarlijks buigen diverse teams uit de hele wereld zich over deze vraag in de Shell Eco Marathon. Waar een normaal verbruik voor een Europese auto meestal rond de 1 op 14 ligt (14 kilometer op 1 liter benzine), ligt het record voor een Prototype auto (waar de bestuurder in mag liggen) in de Eco Marathon al op 1 op 4896, en in een Urban Type auto (waar de bestuurder rechtop in moet zitten) op 1 op 747.
Op de Nederlandse wegen is dit voorlopig nog niet haalbaar, maar er wordt wel steeds meer geprobeerd zo zuinig mogelijke auto’s te fabriceren. Het gebruik van hybride motoren is al een stap in de goede richting, de zuinigste auto in het middenklasse segment is momenteel de Lexus CT200h, die ongeveer 1 op 26 rijdt. Volkswagen is bezig met de ontwikkeling van een ‘1-liter car’, die op 1 liter benzine 100 km zou moeten kunnen rijden.
Bespreek wat er nodig is om auto’s op de Nederlandse wegen te krijgen die zo zuinig mogelijk rijden. Laat, indien mogelijk, berekeningen zien.
Steekwoorden:
brandstofverbruik, Eco Marathon, luchtweerstandscoefficient, hybride auto
Nuttige websites:
Shell Ecomarathon (Engels)
http://www.shell.com/home/content/ecomarathon/
ANWB – zuinige auto’s
http://www.anwb.nl/auto/koop-en-verkoop/auto-kopen,/top-10-zuinige-auto-s/Top-10-zuinige-auto-s-benzine-overzicht.html?popup=true
Hybride auto’s
http://nl.wikipedia.org/wiki/Hybride_auto
Volkswagen 1 liter (Engels)
http://en.wikipedia.org/wiki/Volkswagen_1-litre_car
Automobile Drag Coefficients (luchtweerstand) (Engels)
http://en.wikipedia.org/wiki/Automobile_drag_coefficient
7. Antwoorden
7.1 Hoofdstuk 2 – Kracht, arbeid en brandstofverbruik
Opgave 1
a) 411 kJ.
b) 1 op 16
c) 1 op 15
d) 6.4 %
Opgave 2
a) 1.4 %
b) 18 liter
Opgave 3
---
Opgave 4
a) 320 N
b) 1.6 · 106 J/km
c) 1 op 21
d) 1 op 47
e) Lager rendement motor: vaker afremmen, stoppen en versnellen,
f) Navigatie systemen, lampen en airco
g) 1 op 13
h) 32.5 kg CO2
7.2 Hoofdstuk 3 – Energie uit een brandbare stof
Vragen
1. Er moet een brandbare stof zijn.
Er moet zuurstof aanwezig zijn.
De temperatuur moet hoog genoeg zijn, de ontbrandingstemperatuur moet worden behaald.
2. CO2 en H2O, kooldioxide en water
3.
a) 2 C2H6 (g) + 7 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 6 H2O (g)
b) 2 ethaan- en 7 zuurstofmoleculen
c) Ethaan:zuurstof = 2:7 = 1:3,5
4.
a) C2H5OH (l) + 3 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 3 H2O (g)
b) 1 ethanol en 3 zuurstof
c) Ethanol:zuurstof = 1:3
d) Er zit al een zuurstof atoom in de brandstof zelf. Dat hoeft dus niet uit de lucht gehaald te worden.
7.2.1 De verbranding van aardgas
1. CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g)
2. teken de structuurformules
3.
4.
5.
6.
7. 26,36•105 J mol-1
8. -34,62•105 J mol-1
9. -8.28•105 J mol-1
10.
11.
Opgave 1:
a)
b) C-H: 12
c) C-C: 2
d) O=O: 7
e) C=O: 8
f) O-H : 12
g) 91,06•105 J mol-1
h) -119.94•105 J mol-1
i) -28.88•105 J mol-1
j) Er komt energie vrij, het is dus een exotherme reactie
Opgave 2:
a) 2,96•105 J mol-1
b)
c) -13,03•105 J mol-1
Opgave 3:
a)
b) C8H16 + 12 O2 → 8 CO2 + 8 H2O
C15H32 + 23 O2 → 15 CO2 + 16 H2O
c) “Benzine”: -49,44•105 J mol-1
“Diesel”: -94,78•105 J mol-1
Opgave 4:
a) 11.72 liter
b) Met 1 liter benzine kan de Prius 25,6 km rijden.
c) 87,5 g CO2 per km
d) Zelf bedenken
e) Zelf bedenken
7.3 Hoofdstuk 4 – Modelleren
7.3.1 Lineair verband
Opgave 1: grafiek:
7.3.2 Reizen van huis naar school
Opgave 1:
Kfiets = € 0,96
Kbrommer = € 2,16
Kbus = € 7
Ktaxi = € 17
Opgave 2:
De taxi heeft de hoogste uitstoot en de fiets de laagste.
Cfiets = 228 gram
Cbrommer = 720 gram
Cbus = 940 gram
Ctaxi = 1536 gram
Opgave 3:
12 min en 24 seconde. De uitstoot is 1380 gram
Opgave 4:
a) de fiets en de brommer.
b) v ≤ 25 km/u.
c) 28 minuten en 48 seconden.
Opgave 5:
a) € 2800
b) 0,552 ton.
c) € 82,80
d) 0,3%.
Beoordelingsformulier poster
Handreikingen beoordeling poster per onderdeel.
Je kunt jezelf de volgende vragen stellen bij het beoordelen van een poster. Als er onderdelen van de poster niet duidelijk zijn of ontbreken, mag je minder dan het maximale aantal punten toekennen voor dat onderwerp. Je moet wel bij de opmerkingen vermelden hoe je tot het aantal toegekende punten bent gekomen.
1. Lay-out / duidelijkheid: Is de poster overzichtelijk? Kun je alle onderdelen goed vinden?
2. Hoeveelheid tekst: Kun je binnen korte tijd zien of lezen waar de poster over gaat?
3. Titel en namen: Is de titel van de poster duidelijk vermeld? Vind je dat de titel de inhoud van de poster goed aangekondigd? Staan de namen van alle groepsleden op de poster?
4. Inleiding: Legt de inleiding goed uit waar de poster over gaat? Vind je dat de inleiding uitnodigend tot het verder bekijken van de poster?
5. Onderzoeksvraag: Is er een duidelijke onderzoeksvraag? Is na het lezen van de onderzoeksvraag duidelijk waar de informatie op de poster toe dient?
6. Beschrijving en uitdiepen onderwerp: Zijn er deelonderzoeksvragen gesteld? Zijn de resultaten duidelijk opgeschreven? Is er gebruik gemaakt van grafieken / tabellen / plaatjes? Is de informatie die gepresenteerd is relevant voor het beantwoorden van de onderzoeksvraag?
7. Discussie: Is het onderwerp van verschillende kanten bekeken? Staan er voor- en nadelen genoemd bij de discussie? Zijn de verschillende kanten / voor- en nadelen met argumenten tegen elkaar afgewogen?
8. Conclusie: Is er in de conclusie antwoord gegeven op de onderzoeksvraag? Is er rekening gehouden met de uitkomst van de discussie?
9. Bronvermelding: Staat er duidelijk waar de informatie op de poster vandaan komt?
8. Extra stof
8.1 Rolweerstand – verdieping bij paragraaf 2.1
Rolweerstand is de weerstand die een rond voorwerp, of een voorwerp met wielen, ondervindt als het over een vlak oppervlak rolt, zie Figuur 8.1. Voor een ideaal hard en glad voorwerp en een ideaal hard en glad oppervlak is deze weerstand nul. Als het voorwerp echter vervormbaar is, dan kost het energie om het voorwerp in te drukken. Het terugveren gaat met minder kracht dan het indrukken, er blijft dan energie achter in de vorm van warmte. Dit geldt ook als niet het voorwerp, maar het oppervlak vervormbaar is. Dit energieverlies is de oorzaak van de rolweerstand.
In formulevorm kunnen we de rolweerstandskracht FR (eenheid [N]) beschrijven als:
Kunnen we een idee krijgen wat de grootte van de rolweerstand van een auto eigenlijk voor ons betekent? Stel, we kiezen een Ford Focus (1.4i uit 2007) met een massa m van 1229 kg. Met CR =0,0100 en g =9,81 m/s2, volgt dan een rolweerstand FR van 121 N.
Laten we nu een helling kiezen van 1%, zie Figuur 8.2. Dit betekent dat de weg 1 m daalt over 100 m horizontaal, dus de tangens van de hellinghoek (tan α) is gelijk aan 1/100. Als we de auto op deze helling zetten, dan is de component van de zwaartekracht gericht langs de weg gelijk aan
Dit is dus precies gelijk aan de rolweerstand, er is geen netto kracht en de auto gaat niet rollen. Wordt de helling groter dan 1%, dan wordt de zwaartekracht groter dan de rolweerstand en zal de auto gaan rollen!
8.2 Veiligheid in het verkeer – extra stof bij Hoofdstuk 2
Om de kans op letsel tijdens een verkeersongeluk te verminderen, zijn voertuigen voorzien van verschillende veiligheidsmiddelen, zoals veiligheidsgordels, kreukelzone en airbags.
Door een veiligheidsgordel blijft een persoon tijdens een botsing op zijn stoel en wordt hij niet door de auto heen tegen (of door) de voorruit geslingerd. Bovendien rekt de gordel geleidelijk uit tijdens een botsing, waardoor impact van de klap beter verdeeld wordt. Door het dragen van een gordel wordt de kans op een dodelijk ongeval verminderd met 30 tot 40%.
Om een idee te krijgen over de rol van de veiligheidsgordel tijdens een botsing bestuderen we hoe groot de gemiddelde remkracht is die op een auto werkt bij een botsing. Een auto met een massa heeft een bepaalde beginsnelheid en komt tijdens een botsing tot stilstand na een remafstand sA . De remarbeid wordt gegeven door:
Combineren we deze vergelijkingen, dan volgt voor de gemiddelde remkracht die op de auto werkt:
De remkracht zal dus kleiner zijn bij een kleinere autosnelheid vbegin , kleinere massa m van de auto of een grotere remweg sA .
De remkracht die op de bestuurder werkt is niet per definitie gelijk aan de remkracht die op de auto werkt. De bestuurder heeft immers een andere massa, en legt ook een andere remweg af. Een bestuurder zonder autogordel zal bij een botsing eerst nog met gelijke snelheid rechtdoor bewegen, tot hij de voorruit tegenkomt, en moet dan op zeer korte afstand volledig tot stilstand komen. Dit is weergegeven in Figuur 8.3 (links). Een bestuurder met een autogordel om zal nog een klein stukje vooruit bewegen, waarbij zijn autogordel geleidelijk uitrekt, en wordt dan samen met de auto langzaam tot stilstand gebracht, zoals weergegeven in Figuur 8.3 (rechts). Vergeleken met de situatie zonder autogordel is de remweg van de bestuurder nu een stuk groter geworden. Voor de remkracht op de bestuurder met massa mB en remweg sB geldt:
Om de kans op personenletsel bij botsingen te verminderen, zijn auto’s uitgerust met een kreukelzone. Dit is een deel van de constructie dat moedwillig verzwakt is, zodat bij een botsing de auto geleidelijk indeukt. Hierdoor wordt de tijdsduur van de botsing langer en de remafstand vergroot, waardoor de kracht op de inzittenden kleiner wordt. Bovendien blijft door een kreukelzone ook het passagiersgedeelte vaak beter heel.
Moderne auto’s zijn ook vaak voorzien van een aantal airbags die tijdens de botsing opblazen en vervolgens leeg lopen. De airbag vergroot zowel de remafstand van de inzittende als het lichaamsoppervlak waarop de remkracht werkt.
Opgave 1: Krachten bij botsen tegen een muur
Tijdens een experiment rijdt een auto met twee testpoppen met een snelheid van 80 km/h tegen een muur. Eén testpop heeft geen gordel en komt tot stilstand na een remweg van 15 cm. De tweede testpop heeft een gordel en komt tot stilstand na een remweg van 60 cm. De massa van elke testpop bedraagt 70 kg.
a) Bereken en vergelijk de gemiddelde remkracht die op de testpoppen werkt.
Om een idee te krijgen over het effect van deze kracht op een menselijk lichaam, wordt de kracht vergeleken met de zwaartekracht van een bepaalde massa die op dit lichaam “rust”.
b) Bereken welke twee massa’s de twee krachten berekend onder vraag a) overeenkomen.
Opgave 2: Rijden en botsen
Een auto met een massa van 1200 kg heeft een maximaal vermogen 95 kW bij een topsnelheid van 175 km/h.
a) Bereken de totale wrijvingskracht op de auto als deze met topsnelheid rijdt.
Het verbruik van de auto is op dat ogenblik 1 op 5. Bij het verbranden levert 1 liter benzine 33•106 J.
b) Bereken het rendement van de motor bij 175 km/h.
De auto botst met een snelheid van 80 km/h frontaal tegen een boom en komt na 0,12 s tot stilstand.
c) Bereken de grootte van de kracht die de boom op de auto heeft uitgeoefend.
De bestuurder heeft een massa van 82 kg. Hij draagt een gordel die wat meegeeft, waardoor zijn remweg langer is dan van de auto zelf. De remweg van de bestuurder is 1,45 m.
d) Bereken de grootte van de kracht die op de bestuurder werkt.
8.3 Stookwaarden – extra stof bij paragraaf 3.2
In Binas zijn naast verbrandingsenthalpiën (Tabel 55) en bindingsenthalpiën (Tabel 58) ook stookwaarden te vinden (Tabel 28) voor een aantal veel voorkomende brandstoffen. In deze paragraaf maken we kennis met het begrip stookwaarde en kijken we kritisch naar literatuurwaarden.
Als we in Binas Tabel 28 kijkt zien we een lijstje met verbrandingswarmten (of stookwaarden) voor verschillende brandstoffen. We zien hier ook waarden voor aardgas, ethanol en benzine staan. De eenheid van de stookwaarde hangt af van het type brandstof.
a) Wat zijn de verschillende eenheden voor de stookwaarden?
b) Waarom zou men voor deze verschillende eenheden hebben gekozen?
Je hebt al uitgerekend wat de verbrandingswaarde van methaan is in paragraaf 3.2.1.
c) Bereken de verbrandingswaarde per mol methaan nu eens met behulp van de dichtheid en de stookwaarde uit Tabel 28.
d) Verwacht je dat beide waarden gelijk zijn?
e) Zijn de waarden die je berekende gelijk of verschillend?
f) Als je verschillende waarden vond, kun je dan achterhalen waardoor je verschillende waarden uit je berekeningen kreeg?
Je berekende ook al eens de verbrandingswaarde voor benzine, in paragraaf 3.3. Hier had je een schatting nodig van de chemische samenstelling van benzine.
g) Bereken de stookwaarde voor C8H16 in Jm-3. Je mag aannemen dat de dichtheid van C8H16 = 0,715•103 kg m-3.
h) Vergelijk je berekende waarde eens met de waarde uit Tabel 28 van Binas.
i) Hoe komt het dat de waarde die je in Tabel 28 vindt anders is dan de door jouw berekende waarde?
Bronvermeldingen
