In thema 1 heb je een onderzoek uitgevoerd met kleurstof in water. Hierbij heb je gezien dat kleurstof ook zonder roeren vanzelf gelijkmatig door het gehele water verspreid wordt. Dit komt omdat moleculen altijd in beweging zijn. In de vaste toestand niet heel veel maar als vloeistof en zeker als gas zijn de moleculen van die stof als een gek aan het bewegen. Hierbij botsen ze aan de lopende band tegen andere moleculen, maar ook tegen de wand van bijvoorbeeld het bekerglas aan. Wanneer er nu kleurstofmoleculen bij het water in komen, dan botsen deze kleurstofmoleculen ook tegen de watermoleculen aan en zo worden ze elke keer een stukje verder het bekerglas ingebotst.
Bij warm water bewegen de moleculen nog veel meer dan in koud water en daarom mengt de kleurstof zich in warm water nog sneller.
Kleurstof in water
Het filmpje hierboven laat hetzelfde experiment zien als je in thema 1 hebt uitgevoerd. Wij kunnen met onze ogen natuurlijk geen moleculen zien, en daarom moeten we gebruik maken van animaties om het effect van de botsingen te 'zien'. Klik maar eens op onderstaande links om twee animaties te zien over dit onderwerp.
Dus volgens dit experiment is de logica: Bij warm water bewegen de moleculen meer. Echter, in de natuurkunde draaien we dit meestal om: Hoe sneller de moleculen bewegen, hoe hoger de temperatuur is. Temperatuur is dus eigenlijk een maat voor hoesnel de moleculen bewegen. Als je alle moleculen in een bekerglas water zou kunnen aan duwen en ze zo sneller te laten bewegen, dan zal de temperatuur omhoog gaan. Dit zou je dan kunnen meten met een thermometer. Je zou een thermometer dus kunnen zien als een snelheidsmeter voor moleculen.
Verschillende temperatuurschalen
Een thermometer geeft de beweging van de moleculen aan in een bepaalde eenheid. Er bestaan veel verschillende temperatuureenheden maar de bekenste is die van Celcius: °C. De Zweedse astronoom Anders Celsius bedacht zijn maatverdeling door als nulpunt ijswater te nemen en het kookpunt van water als tweede punt. Hij verdeelde vervolgens dit temperatuursverschil in honderd gelijkt stukjes.
Moleculen hebben eigenlijk geen maximum snelheid, maar ze hebben wel een laagste snelheid: Stilstaan. Daarom heeft temperatuur ook een absoluut nulpunt. Dit nulpunt is bij -273°C of te wel 0 Kelvin. De groote van de stapjes bij Celcius en Kelvin is gelijk, maar het nulpunt is anders. Om de eenheden in elkaar om te rekenen kan je de volgende formule gebruiken:
\(T_C = K - 273\)
In Amerika (en Jamaica) wordt niet de °C gebruikt, maar de Farenheid, °F. Deze maatverdeling heeft niet ijswater als nulpunt, maar de temperatuur die ijs krijgt als je het mengt met ammoniumchloride. Door deze stof te mengen met gemalen ijs, koelt het ijs nog verder af, naar ongeveer -18°C. De stapgroote van Farenheid is niet even groot dan die van Celcius en daarom is het omrekenen van deze twee eenheden ook niet heel gemakkelijk:
\(T_C=(T_F - 32) \times ({5 \over 9})\)
Onderzoek schaalverdeling bij een thermometer
Hieronder kan je het onderzoeksdocument over de thermometers downloaden. Het onderzoek gaat over een hele vreemde maatverdeling voor temperatuur, die van Delisle.
In de natuur- en scheikunde worden veel getallen gebruikt, dit zijn de waarden. Bijna al deze getallen hebben echter ook altijd een eenheid, zoals kilometer (km), gram (g) of graden Celcius (°C). Zo kan de afstand tussen Amsterdam en Kampen niet alleen 90 zijn. Dan moet je je gaan afvragen: "90 wat? Kippen? Meter? Lichtjaar?" De afstand tussen deze twee plaatsen is natuurlijk 90 km. Alle eenheden hebben ook een eigen afkorting om ze snel op te kunnen schrijven. Jullie zullen al een groot aantal eenheden en hun afkortingen kennen omdat zij vaak gebruik worden.
Een waarde en een eenheid samen drukt de invulling van een grootheid uit. Dat klinkt misschien heel ingewikkeld, maar een grootheid zou je kunnen zien als een emmer. Je vult de emmer met een waarde en een eenheid. Zonder die emmer heeft de waarde of de eenheid geen enkele zin. Net als eenheden hebben alle grootheden ook een afkorting of een symbool. Dit symbool wordt altijd schuin gedrukt. Al hoeft dat bij geschreven tekst niet. De namen en symbolen van grootheden zijn vaak onbekender omdat ze niet veel gebruik worden buiten Science. Je moet ze echter wel leren kennen.
Bij Science schrijven we de combinatie tussen grootheid, waarde en eenheid altijd op dezelfde manier:
Grootheidsymbool = waarde eenheidsymbool
Bijvoorbeeld:
T = 25 °C
(T is het symbool voor temperatuur)
l = 150 m
(l is het symbool voor lengte of afstand)
U = 6,5 V
(U is het symbool voor spanning)
m = 65 kg
(m is het symbool voor massa.)
Energie
Een lastige maar heel belangrijke grootheid in de natuur- en scheikunde is Energie. Het symbool voor energie is de hoofdletter E en de eenheid ervan is de joule (J). Energie kan het beste gezien worden als de grootheid die voor verandering zorgt. Dus zonder energie zou er niets kunnen bewegen, zouden alle chemische reacties stoppen en zou geluid, licht of elekriciteit niet meer werken. Enkele voorbeelden:
Een lamp met een elektrisch vermogen van 1 watt verbruikt in 1 seconde 1 joule aan elektrische energie.
Om 1 gram vloeibaar water 1 graad in temperatuur te doen stijgen is ongeveer 4,19 joule nodig.
Het totale energiegebruik door mensen op aarde is ongeveer 0,5 ZJ per jaar (voorvoegsel Z is een 1 met 21 nullen er achter).
De energie om een kleine appel (102 g) een meter op te tillen op aarde is 1 joule.
Als je naar het laatste voorbeeld kijkt zie je dat één joule natuurlijk niet zo heel veel energie is. Daarom wordt er vaak gebruik gemaakt van een kJ (kilojoule). Andere veel voorkomende eeneheden van energie zijn:
De calorie (cal of kcal) - vooral gebruik bij voeding
De kilowattuur (kWh) - vooral bij elektrische energie zoals de in de meterkast
Misschien heb je wel eens op reclame gehoord over "groene energie" of "duurzame energie". Deze termen gaan over hoe de energie gemaakt is, maar zegt natuurkundig niets over de soort van energie. Er bestaan namelijk erg veel verschillende soorten energie, die allemaal in elkaar omgezet kunnen worden. Overzetten van energie is het onderwerp van het volgende hoofdstuk. Eerst ga je op zoek naar de belangrijkste soorten van energie.
In een elektriciteitcentrale wordt een brandstof zoals aardgas of steenkool verbrand. De chemische energie wordt op deze manier omgezet in warmte. Met deze warmte wordt vervolgens water gekookt en de stoom die dat geeft laat vervolgens een turbine (een grote dynamo zoals op je fiets) draaien. Dit is dus kinetische energie. Het draaien van de turbine geeft tot slot elektriciteit.
In het voorbeeld hierboven zie je dat één soort van energie omgezet kan worden in de andere soort. Dit is erg belangrijk omdat bepaalde soorten energie bijvoorbeeld slecht opgeslagen kan worden.
Bij het omzetten van energiesoorten geldt altijd de eerste wet van de thermodynamica: Energie kan nooit uit niets worden gemaakt of verdwijnen. Dus als een hoeveelheid steenkool bijvoorbeeld 500 kJ aan chemische energie bevatten, dan kan de hoeveelheid warmte nooit 550 kJ worden. En als er 500 kJ aan warmte zou zijn, dan kan er nooit minder dan 500 kJ aan andere energsiesoorten van gemaakt worden. Maar.. Niet alle warmte hoeft omgezet te worden in kinetische energie.. Meestal zal er naast de gewenste soort energie, ook een beetje van een andere soort ontstaan. Bij het draaien van de turbine zal er bijvoorbeeld een beetje wrijving zijn waardoor de turbine warm wordt. Niet alle energie van de stoom zal zo dus omgezet worden in elektrisciteit, maar ook een beetje warmte. Dus hoewel energie niet kan verdwijnen, kan het wel niet-nuttig worden omgezet. Dit heet verlies.
In onderstaande opdracht ga je op zoek naar manieren om energiesoorten in elkaar om te zetten en waar en wanneer er verlies kan optreden.
In het onderzoek hieronder gaan jullie op zoek naar de vraag hoeveel energie er nodig is om water in temperatuur te laten stijgen. Omdat meten aan warmte erg lastig is gebruiken we een energiebron die beter te hanteren in: Elektrische energie. Een dompelaar zet deze energiesoort om in warmte.
Je hebt nu al veel geleerd over energie. Wat het is, welke soorten er zijn en hoe deze in elkaar omgezet kunnen worden. Ook heb je al kort gekeken naar opslag van energie. Maar we hebben het nog helemaal niet gehad over waar die energie nu eigenlijk vandaan komt.
Als je in de krant over energie leest of op televisie hoort over het veranderende klimaat, dan gaat het vaak al snel over alternatieve energiebronnen of duurzame bronnen. In dit thema gaan we echter alleen kijken naar de traditionele manier van energie opwekken en dat is via het verbranden van fossiele brandstoffen. Over duurzame energiebronnen en waarom deze nodig zijn gaat namelijk thema 3.
Fossiele brandstoffen
Onze energie komt op dit moment nog doordat we eenorme hoeveelheden fossiele brandstoffen uit de aarde halen en deze gebruiken als brandstof. Bekijk onderstaande film.
Er zijn dus drie soorten fossiele brandstoffen:
Aardolie (vloeibaar)
Aardgas (gasvormig)
Steenkool (vaste stof)
Op dit moment gebruiken wij op aarde de steenkool voornamelijk om elektriciteit mee op te wekken, aardgas om mee te koken en voor warmte (CV ketel) en de aardolie wordt gebruik als auto- en vliegtuigbrandstof. In alle gevallen gaat het dus om chemische energie die kan worden omgezet naar andere soorten zoals elektrische energie, kinetische energie of warmte.
In het onderdeel 'het omzetten van energiesoorten' staan beschreven hoe een elekciciteitcentrale werkt.
Onderzoek energie van een verbranding
De fossiele brandstoffen worden dus op gigantisch grote schaal verbrand. Om jullie een idee te geven hoeveel energie er uit een verbranding kan komen gaan jullie onderzoek doen naar de verbrandingswarmtes van een pina en een cashewnoot.
Je weet nu dat er veel verschillende energiesoorten zijn. Ook weet je dat energie kan worden omgezet in een andere soort. Maar hoe komt energie nu eigenlijk van de plek waar het is 'gemaakt' naar de plek waar het nodig is? Hoe komt de elektriciteit die wordt opgewekt in een elektrictieitcentrale bij jou thuis? Hoe komt de energie die vrij komt in een motor van een auto bij de wielen? Hoe komt de warmte van een verwarmingsketel in de woonkamer van een huis terecht? Het antwoord op al deze vragen is: Door middel van energietransport.
Elke energiesoort kan worden getransporteerd, denk bijvoorbeeld aan de overbrenging van bewegingsenergie doormiddel van tandwielen of een as van een auto. Of aan geleiding van elektrische stroom door een hoogspanningskabel. En hoewel je op deze manier best veel soorten van energietransport moet kunnen herkennen, is het transport van warmte voor dit thema het belangrijkst.
Soorten van warmtetransport
Warmte is de energie die in de beweging van de moleculen zit. Hoe meer warmte, hoe hoger de temperatuur. Bekijk onderstaande afbeelding goed:
De bron van de warmte in deze afbeelding is de verbranding van het hout in het kampvuur. Dus een energieomzetting van chemische energie naar warmte. Deze warmte wordt grotendeels door straling van vuur naar de pan erboven gebracht. Eigenlijk wordt de warmte dus omgezet naar stralingsenergie. De energie straalt dan door de lucht naar de pan, waar de straling wordt opgenomen en weer wordt omgezet in beweging van de moleculen: warmte.
De meeste pannen zijn van metaal omdat deze soort stoffen wamte goed geleiden. Als de moleculen aan de onderkant van de pan veel bewegen, 'tikken' zij de moleculen om zich heen aan zodat deze ook sneller gaan bewegen. Hierdoor stijgt de temperatuur verder in de pan ook. Uiteindelijk gaan alle moleculen in het metaal trillen en is de warmte van de onderkant van de pan dus getransporteerd naar de binnenkant van de pan. Hier tikken de metaalmoleculen de eerste watermoleculen aan zodat de onderkant van het water ook heet wordt.
Water is echter een slechts warmtegeleider en het bewegen van de moleculen wordt dus niet zo gemakkelijk overgegeven van watermolecuul naar watermolecuul. De warmte wordt door het water verspeid door stroming. Een molecuul met veer warmte (beweegt dus veel) verplaatst zich door de gehele pan heen en hierdoor komen er andere nog koudere watermoleculen bij de bodem van de pan. Deze was heet en geeft zijn warmte af aan die watermoleculen, die op hun beurt weer weg beweegt, en zo voort.
De drie soorten van warmte overdracht zijn dus:
Straling ("overgooien van energie")
Geleiding ("Doorgeven van energie aan je buren")
Stroming ("Meenemen van je energie")
Uitleg over warmtetransport
Eindonderzoek
In het eindonderzoek van thema 2 moeten jullie een opstelling ontwerpen, bouwen en testen waarbij je zo goed mogelijk de energie van een brandende kaars moet omzetten in warmte en deze warmte zo goed mogelijk vast moet houden. Doel is om de warmtecapaciteit van water zo nauwkeurig mogelijk te meten en zo dicht mogelijk bij de 4,2 J/K te komen.
Het arrangement Thema 2: Energie is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteurs
Petra van Leeuwen
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2024-03-11 14:08:02
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
