Verwarmen en verbranden



Dovnload 327.43 Kb.
Datum24.08.2016
Grootte327.43 Kb.


VERWARMEN EN VERBRANDEN


1 Verwarmen; de zon als energie­- bron

Afbeelding 5-1 Zonder zon is er geen leven op aarde mogelijk en al helemaal geen strandleven.

De zon is de belangrijkste ster voor de aarde, en voor alle mensen, dieren en planten die er op leven. Zonder de zon zou er geen leven op aarde mo­gelijk zijn. De zon zorgt niet alleen voor licht maar ook voor warmte. De zon geeft ook licht en warmte aan he­mellichamen als de maan en Jupiter. Toch is er daar geen leven ontstaan zoals we dat op de aarde kennen. Er zijn daar dan ook heel andere om­standigheden. Zo kan het op de maan wel 100 °C zijn en op Jupiter 200 °C onder nul. Toch worden ze allebei door dezelfde zon verwarmd. Het verschil in temperatuur heeft vooral met de afstand tot de zon te maken. Hoe verder een hemellichaam van de


Afbeelding 5-2 Zo draaien de planeten om de zon. 1 de zon, 2 Mercurius, 3 Venus, 4 de aarde, 5 Mars; rechts onder zie je Saturnus. De aarde doet er een jaar over om óm de zon te draaien.



Afbeelding 5-3 De warmtestralen van de zon geven hun energie pas af als ze de aarde raken. Ook de aarde zelf zendt warmtestralen uit (dat is maar heel weinig). Die warmtestralen worden door de damp­-


kring rond de aarde tegengehouden.

zon verwijderd is, des te lager is zijn oppervlaktetemperatuur.

De warmte-overdracht van de zon naar de aarde gaat door middel van straling. De warmtestralen komen door het lege heelal naar de aarde. Warmtestralen geven hun warmte pas af als ze ergens tegenaan komen. Het heelal is vrijwel leeg, dus raken de warmtestralen hun energie niet kwijt. Pas als ze op de aarde komen, geven ze hun warmte af. De aarde wordt dus verwarmd door de zon.

Maar als de aarde warm wordt, dan moet zij zelf ook gaan stralen. Dat is

ook zo. De aarde geeft zelf ook warm­testraling af. Maar vergeleken met de zon stelt dat niets voor. De zon heeft een temperatuur van 13 600 000 °C. De aarde heeft een temperatuur van onge­veer 20 °C. Omdat de temperatuur van de aarde zo veel lager is dan die van de zon, straalt de aarde veel minder warmte af. Maar als de aarde zelf warmtestralen uitzendt, dan zou zij moeten afkoelen. Gelukkig is dat niet zo. De aarde heeft namelijk een damp­kring. Dit is een laag rond de aarde waarin allerlei gassen zitten. Deze laag zorgt ervoor dat de warmtestralen die van de aarde af komen, niet naar het



heelal verdwijnen. De dampkring laat de hete warmtestralen van de zon wel door, maar die van de aarde niet. Dat heeft te maken met de verschillen in temperatuur van de stralen en ook van de plaats waar de stralen vandaan ko­men. Op deze manier kun je de aarde vergelijken met een broeikas.

ONTHOUD: De warmteoverdracht van de


zon naar de aarde gaat door
middel van straling.

Zonder de dampkring zou de


temperatuur op aarde veel lager
zijn.



In een broeikas is namelijk hetzelfde aan de hand. De warmtestralen van de zon komen door het glas naar bin­nen. De warmtestralen geven hun warmte af aan de aarde in de kas. De aarde wordt warm en gaat ook warm­testralen uitzenden. Maar omdat dit warmtestralen zijn van een lagere temperatuur kunnen ze moeilijk door het glas naar buiten, en blijft de meeste warmte in de kas: de lucht in de kas wordt warm. Een broeikas is dus een heel handige manier van ver­warmen. Je gebruikt namelijk de gra­tis energie van de zon.

In een broeikas moet vaak wel extra worden gestookt, omdat het aantal zonne-uren in Nederland niet erg hoog is. Voor het verwarmen van een kas wordt vaak aardgas gebruikt. In een grote ketel wordt de warmte, die vrijkomt bij het verbranden van aard­gas, gebruikt om water te verhitten. Het warme water wordt door een stelsel van buizen rondgepompt, net als in een cv-installatie.

Afbeelding 5-4 De aarde kun je vergelijken met een broeikas. De zonnestralen verwarmen de kas. Het glas zorgt ervoor - net als de dampkring - dat de warmte niet kan verdwijnen.
De laatste jaren is de broeikas veel in het nieuws. Niet de broeikas van de Nederlandse tuinders, maar de aarde als broeikas.
Wetenschappers hebben vastgesteld dat de temperatuur op aarde hoger wordt. Zij hebben de temperaturen van de afgelopen dertig jaar vergele­ken met de temperaturen van perio­des daarvoor. Volgens de wetenschap­pers is het zo dat de aarde langzaam aan het opwarmen is. De opwarming heeft te maken met de gassen in de dampkring. De samenstelling van de dampkring is aan het veranderen door het energieverbruik van de mens.

Begin 1800 werd in Engeland de stoommachine uitgevonden. Dat was het begin van een tijdperk waarin de







Afbeelding 5-5a De stoommachine werd vooral ook gebruikt als trek­-


kracht. Dit reclameplaatje voor sigaretten laat de eerste locomotief in
Engeland zien, de Rocket, uit 1829.

mens met behulp van grote machines ging produceren. Deze machines hadden brandstof nodig. In het begin waren dat hout en steenkool. Veel la­ter ging men aardgas, aardolie en kernenergie gebruiken. Steenkool, aardgas en aardolie noemt men fos­siele brandstoffen. De mens ging steeds meer machines gebruiken voor allerlei toepassingen; ook om zich te verplaatsen: auto, vliegtuig, trein, boot. Bij de verbranding in al die machines komen gassen vrij. Een van die gassen is koolstofdioxide(CO2).




Afbeelding 5-6 Het broeikaseffect onsttaat door koolstofdioxide. Hierdoor wordt de aarde warmer.

Afbeelding 5-5b James Watt (1736-1819) was de uitvinder van de stoommachine. Watt ontdek-­ te dat je de energie van stoom kunt omzetten in bewegingsenergie.

Het koolstofdioxide dat bij het ver­branden van de fossiele brandstoffen vrijkomt, stijgt op en hoopt zich op in de dampkring. Op deze manier houdt de dampkring meer warmte­straling van de aarde tegen. De aarde wordt op die manier warmer. Van­daar dat men spreekt van het broeikas­effect.

ONTHOUD:

Onder het broeikaseffect wordt
de opwarming van de aarde
verstaan. Deze opwarming
wordt veroorzaakt door de uit-
stoot van koolstofdioxide

(CO2). Koolstofdioxide komt


vrij bij de verbranding van fos-
siele brandstoffen.

Maak nu : O:5/1 t/m O:5/9





2 Andere energie­bronnen

De zon zorgt voor warmte en licht. Bij de verbranding van aardgas komt ook warmte en licht vrij. Blijkbaar hebben aardgas en de zon iets met el­kaar gemeen. Licht en warmte zijn vormen van energie. De zon is dus een energiebron. Aardgas is ook een ener­giebron. Er is alleen wel een belang­rijk verschil. Bij aardgas komt de ener­gie pas vrij als je het laat ontbranden. De zon brandt iedere dag weer, we kunnen hem niet uitzetten. De zon is een heel grote brandende gasbol.

Stoffen waarbij bij verbranding veel energie vrijkomt noem je brandstoffen. De meest gebruikte brandstoffen zijn: aardgas, aardolie, bruinkool en steen­kool. De overeenkomst tussen deze brandstoffen is dat ze allemaal uit de aarde komen.
Het zijn stoffen die zijn ontstaan uit dode planten- en dierenresten (fossie­len) . Deze resten hebben zich geduren­de miljoenen jaren opgehoopt op ver­schillende plekken op de aarde. Om­dat deze resten zich vaak ver onder het aardoppervlak bevinden, zijn ze ver­vormd. Door grote druk en door de hogere temperatuur in de aarde zijn op die manier uit planten- en dieren­resten aardgas, steenkool of aardolie ontstaan. Daarom heten deze brand­stoffen ook wel fossiele brandstoffen.

Het duurt miljoenen jaren voordat er fossiele brandstoffen ontstaan. Maar de laatste honderd jaar gebruikt de mens zo veel fossiele brandstoffen dat de voorraad opraakt. Zo is de Neder­landse aardgasbel bij Slochteren in Groningen over ruim dertig jaar op en



Afbeelding 5-7 De bovenste kaart laat zien waar de grote olie­voorraden zich bevinden die in productie zijn, de middelste kaart toont de aardgasproductie en de onderste kaart geeft de plekken aan waar bruinkool en steenkool gewonnen worden.




Afbeelding 5-8 Het aardgasveld Slochteren in Groningen. Het gas zit 3000 m diep.


Afbeelding 5-9 Ja-knikkers bij Schoonebeek in Drenthe. Deze pompten tot 1996 aardolie uit de bodem. Ze zijn nu buiten gebruik.

moeten we in Nederland op zoek naar een vervanger voor het aardgas. Het is daarom belangrijk dat iedereen zui­nig omgaat met fossiele brandstoffen, want ze gaan veel eerder op dan dat ze gemaakt worden. Vandaar dat er veel onderzoek wordt gedaan naar andere energiebronnen. Misschien dat zij een alternatief kunnen vormen voor de fossiele brandstoffen. Daarom noem je nieuwe energiebronnen ook wel al­ternatieve energiebronnen.
3 De wind

In Nederland waait het bijna altijd. Vooral aan de kust staat er vaak een stevige westenwind. Wind is bewe­gende lucht. Je kunt ook zeggen: wind is lucht met bewegingsenergie. De be­wegingsenergie van de lucht is gratis en die zou je moeten kunnen omzet­ten in een andere vorm van energie, zodat je die kunt gebruiken.

Het gebruik van de bewegingsenergie van wind is al heel oud. Denk maar aan windmolens. In een molen wordt de bewegingsenergie van de wind ge­


Afbeelding 5-1 0 Deze molen maalt nog op de ouderwetse manier graan tot meel, waarvan brood gebakken wordt.


bruikt om molenstenen over elkaar te laten wrijven, zodat er van graan meel gemalen kan worden. Ook werden molens gebruikt om water weg te pompen uit laag gelegen gebieden.
Tegenwoordig staan er in Nederland ook veel nieuwe windmolens. Deze worden niet gebruikt om meel mee te


Afbeelding 5-11 Moderne windmolens worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.


malen of om water weg te pompen, maar om elektrische energie op te wekken. Een moderne windmolen werkt als volgt. De bewegende lucht laat de wieken van de molen bewegen. De molen heeft bewegingsenergie. De bewegende molen zet een dynamo in werking. De dynamo zet bewegings­energie om in elektrische energie. De elektrische energie kan worden opge­slagen in accu's; ze wordt dan omge­zet in chemische energie. Of de elek­trische energie wordt via het elektrici­teitsnet gebruikt in de huishoudens.

Windenergie is milieuvriendelijk en goedkoop. Dat zijn voordelen.

Nadelen van windenergie zijn:



  • Het waait niet altijd in Nederland.

  • Het waait niet overal even hard in Nederland.

  • Er zijn heel veel windmolens no­dig om een stad van energie te voorzien.

  • Windmolens staan niet mooi in een landschap.


4 De zon

We gebruiken het licht en de warmte van de zon vaak onbewust. We hoe­ven daar niets voor te doen, het is er gewoon. Zonne-energie is gratis. Toch kun je nog meer met zonne-energie doen. Net als bij windenergie kun je ook zonne-energie omzetten in elek­trische energie. Dit kun je doen met een zonnecel. Een zonnecel is gemaakt



Afbeelding 5-12 In Apeldoorn staan deze moderne huizen met zonnecellen.






om de lichtenergie van de zon om te zetten in elektrische energie. Deze elektrische energie kun je opslaan in een accu; ze wordt dan omgezet in chemische energie. Je kunt de energie ook meteen gebruiken via het lichtnet. In Nederland worden op sommige plaatsen huizen gebouwd met zonne­cellen op het dak. Op die manier kun­nen huishoudens direct profiteren van de zonne-energie.

Zonne-energie is milieuvriendelijk en makkelijk in een huis toe te passen. Nadelen van zonne-energie zijn de dure zonnecellen en het kleine aantal uren dat de zon in Nederland schijnt.



Afbeelding 5-13 In een warm land als Israël ge­bruikt men zonne-energie om het water voor de huishouding te verwarmen. De watertank staat op het dak.


5 Stromend water

Net als wind heeft stromend water ook bewegingsenergie. Als je het stro­mende water langs een schoepenrad laat lopen, dan gaat dat draaien. Als je aan het schoepenrad een dynamo vastmaakt kun je van bewegings­energie elektrische energie maken. Water gaat pas stromen als het zich van hoog naar laag verplaatst. In Ne­derland is er weinig hoogteverschil. Het rivierwater stroomt dan ook niet



Afbeelding 5-14 De stuw in de rivier de Lek bij Hagestein wordt ook gebruikt om elektriciteit op te wekken.


erg snel. In de Lek bij Hagestein staat een kleine waterkrachtcentrale die de bewegingsenergie van het rivierwa­ter omzet in elektrische energie.

De stormvloedwaterkering in de Oos-terschelde in Zeeland heeft ook te ma­ken met stromend water. Alleen ver­andert de stroomrichting iedere twaalf uur. Bij vloed (hoog water) is namelijk de stroomrichting richting land en bij eb (laag water) is destroom­richting richting zee. Op verschillende plekken langs de stormvloedkering is men bezig waterkrachtcentrales te bouwen. Een centrale die werkt op de verschillen tussen eb en vloed noem je een getijdencentrale.



Afbeelding 5-15 Het verschil in waterstand tussen eb en vloed wordt in de stormvloedwaterkering in de Oosterschelde (Zeeland) benut om elektriciteit op te wekken.


Afbeelding 5-16 Zo werkt een waterkrachtcentrale in de bergen: 1 het stuwmeer,


2 de pijpleiding waar het water door naar beneden start, 3 het neerstrortende water
brengt de schoepen in beweging, de schoepen zorgen ervoor dat enorme dynamo’s
gaan ronddraaien en elektriciteit leveren.

In gebieden met veel hoogteverschil, zoals de Alpen, staan veel waterkracht­centrales. Men bouwt hoog in de ber­gen een stuwdam, die het water te­genhoudt. Het water vormt dan een voorraad in het stuwmeer. Als men energie nodig heeft, zet men een ge­deelte van de dam open en valt het wa­ter naar beneden. De zwaarte-energie van het water wordt omgezet in be­wegingsenergie. In de centrale wordt met heel grote dynamo's (turbines) de bewegingsenergie van het water om­gezet in elektrische energie. Door het stuwmeer heeft men dus een hele gro­te energievoorraad. In het stuwmeer zit als het ware de bewegingsenergie opgeslagen in de vorm van zwaarte­-


energie. Je kunt het vergelijken

met een accu. In een accu wordt

elektrische energie opgeslagen.

Energie uit stromend water is milieu­vriendelijk; je hebt geen dure accu’s nodig om de energie op te slaan, want dit gebeurt in het stuwmeer.

Nadelen zijn dat stromend water niet overal op aarde aanwezig is. Rivieren moeten snel stromen en er moet een groot verschil tussen eb en vloed zijn. Voor een stuwmeer moet veel na­tuurgebied opgeofferd worden.


Maak nu : O:5/10 t/m O:5/18





6 Waar blijft energie?

Bij alle energiebronnen wordt ge­bruik gemaakt van energieomzettin­gen. De bewegingsenergie van wind wordt omgezet in elektrische energie. De zwaarte-energie van water wordt omgezet in bewegingsenergie en la­ter in elektrische energie.

De totale hoeveelheid energie blijft voor en na de energieomzetting ge­lijk. Dit noem je ook wel de wet van be­houd van energie. Toch kun je niet alle energie na een energieomzetting ge­bruiken. Zo gaat er in een windmolen ook energie zitten door de wrijving in alle bewegende onderdelen. Hier wordt bewegingsenergie omgezet in warmte. Deze warmte kun je niet ge­bruiken en kun je dus beschouwen als verloren energie.

Voor en na een energieomzetting geldt dus: de totale hoeveelheid ener­-gie blijft gelijk, maar de hoeveelheid bruikbare (nuttige) energie blijft niet gelijk.



Rendement
Voor alle apparaten die energie om­zetten is het belangrijk dat zij die energie in nuttige energie omzetten. Hoe beter de omzetting, des te hoger is het rendement van een apparaat. Het rendement geeft aan hoeveel pro­cent van de opgenomen energie wordt omgezet in nuttige energie. Dit kun je in de volgende formule zet­ten:

η = Enut/Eop x 100%

Hierin is:


η het rendement,

Enut de hoeveelheid energie die nut­tig wordt gebruikt,


Eop de hoeveelheid opgenomen ener­ gie.
Voorbeeld 1

Een windmolen levert per seconde 0,5 kJ aan elektrische energie. De windmolen krijgt elke seconde 11 kJ bewegingsenergie van de lucht. Wat is het rendement van deze windmo­len?


Oplossing

Enut = 0,5 kJ

Eop = 11 kJ

η = Enut/Eop x 100% 0,5/11 x 100% = 4,5%
4,5% van de opgenomen energie wordt dus in de windmolen omgezet in bruikbare (nuttige) energie. De an­dere 94,5% wordt dus omgezet in niet bruikbare energie.

Voorbeeld 2

Een gloeilamp van 100 W levert per seconde 5 W (J) lichtenergie en 95 W warmte. De nuttig gebruikte energie is dan 5 W.


Oplossing

η = Pnuttig/Ptotaal x100%

η =5/100x100% = 5%

ONTHOUD:

: De totale hoeveelheid energie blijft voor en na de energieom­- zetting gelijk. Dit noem je de wet van behoud van energie.


Het rendement geeft aan hoe­-
veel procent van de opgeno­
men energie wordt omgezet in
nuttige energie.

η =Enut /Eop x 100%

Hierin is :

η het rendement,

Enut de hoeveelheid energie die

nutting wordt gebruikt,

Eopde ho hoeveelheid opgenomen
energie.


Maak nu : O:5/19 t/m O:5/22




7 Zuinig met energie

De fossiele brandstoffen raken op en alternatieve energiebronnen leveren niet genoeg energie om de fossiele brandstoffen te vervangen. Je moet dus zuinig zijn met energie. Ook om­dat bij de verbranding van fossiele brandstoffen het milieu wordt ver­vuild. We moeten er met z’nallen voor zorgen dat er minder energie wordt verbruikt. Gelukkig kun je daar zelf wat aan doen. Denk maar aan: spaar­lampen, zuinige auto’s, fietsen, open­baar vervoer, dubbel glas, glaswol; spouwmuurisolatie, carpooling, re­kenmachines op zonne-energie.



Maak nu : O:5/23 t/m O:5/31

Afbeelding 5-20 Een ‘milieubewust’ huis

Afbeelding 5-17 ▲

Bij dubbel glas spaar je
niet alleen energie, maar
wordt het in huis ook com­-
fortabeler.
Afbeelding 5-18 ►

Auto’s moeten zuiniger

kunnen rijden, vindt de milieu-organisatie Green- peace. Zij ontwikkelde een nieuwe technologie in deze Renault Twingo, waardoor deze 50% zui- niger is geworden; hij rijdt 1 op 30.

Afbeelding 5-19 Openbaar vervoer is een ener­giezuinige manier van vervoer, maar in de spits niet altijd even comfortabel.








8 Verbranden
Om de energie uit een brandstof te krijgen moet je de brandstof aanste­ken. De energie zit dus opgeslagen in de brandstof. In fossiele brandstoffen zit de energie uit de zon opgeslagen. Planten en dieren gebruiken namelijk de energie van de zon om te groeien en te leven. En fossiele brandstoffen zijn uit planten en dieren ontstaan.

Afbeelding 5-21 Een ouderwetse kolenkachel brandde op steenkool. Je moest wel steeds de kachel bijvullen en iedere ochtend moest de as-la leeggegooid worden.


Die opgeslagen energie noem je che­mische energie. In steenkool zit dus chemische energie. Als je steenkool aansteekt, dan komt de chemische energie vrij als licht en warmte. De hoeveelheid chemische energie die zit opgeslagen in een brandstof is ver­schillend. Als je één kilogram steen­kool aansteekt, dan komt er meer warmte vrij dan wanneer je één kilo­gram papier aansteekt.

Hoe meer warmte er vrijkomt bij het verbranden, des te beter is de stof te gebruiken als brandstof. Om ver­schillende brandstoffen met elkaar te kunnen vergelijken kun je meten hoe-



veel warmte er vrijkomt per massa-of

volume-eenheid van een brandstof. De hoeveelheid energie die vrijkomt bij volledige verbranding van een ki­logram vaste stof of kubieke meter vloeistof of gas, noem je de verbran­dingswarmte.

De eenheid van verbranding swarm­te is J/kg voor vaste stoffen en J/m3 voor vloeistoffen en gassen.

Het verschil in eenheid ontstaat, om­dat van vaste stoffen de massa wordt gemeten en van vloeistoffen en gas­sen het volume. In de tabel ‘Verbran­dingswarmte’ achterin dit tekstboek zie je de verbrandingswarmte van en­kele brandstoffen.

In de tabel kun je zien dat aardgas een verbrandingswarmte heeft van 32 MJ per m3.

Voorbeeld 1

Johan heeft vijf minuten onder de douche gestaan. Op de gasmeter ziet hij dat hij tijdens het douchen 0,2 m3 ardgas heeft gebruikt. Hoeveel warmte komt er vrij bij de verbran­ding van 0,2 m3 aardgas?




Afbeelding 5-22 Johan heeft vijf minuten gedoucht, waarbij 0,2 kubieke meter aardgas is verbruikt.



Oplossing

De verbrandingswarmte van aardgas is 32MJ/m3.

Er is 0,2 m3 aardgas verbrand.

Er is dus 0,2 x32 = 6,4 MJ warmte vrij­gekomen.


Voorbeeld 2

Een bedrijf verbrandt een hoeveel­heid benzine. Bij de verbranding komt 82 500 MJ vrij. Hoeveel m3 ben­zine heeft dat bedrijf verbrand?



Oplossing

Bij 1 m3 komt vrij 33 000 MJ (zie tabel). Bij 2 m3 komt 2 x 33 000 MJ = 66 000 MJ vrij.

Bij X m3 komt X x 33 000 MJ = 82 500 MJ vrij.

X = 82 500/33 000 = 2,5 m3 is nodig. Er is dus 2,5 m3 benzine verbrand.





ONTHOUD:

De hoeveelheid energie die


vrijkomt bij volledige verbran­-
ding van een kilogram vaste
stof of kubieke meter vloeistof
of gas noem je de verbran-
dingswarmte.

De eenheid van verbrandings­-


warmte is J/kg voor vaste stof­
fen en J/m3 voor vloeistoffen en
gassen.


Maak nu : O:5/32 t/m O:5/34


9 Warmtemeter

In het voorbeeld van Johan die onder de douche staat, wordt de verbran­dingswarmte van het aardgas ge­bruikt om het douchewater te ver­warmen. De hoeveelheid energie die nodig is om een stof te verwarmen kun je meten met een warmtemeter.

Het bakje van de warmtemeter is goed geïsoleerd. Daardoor kan er bijna geen warmte meer naar de omgeving ver­dwijnen. De warmte die het verwar­mingselement produceert, wordt bij­na helemaal door de vloeistof in het bakje opgenomen. Met de thermome­ter houd je de temperatuurstijging bij. Je hebt van tevoren de massa gemeten van de hoeveelheid vloeistof die je in de meter hebt gegoten. In een tempe­ratuur/ tijddiagram kun je de meetge­gevens van de proef met de warmte­meter tegen elkaar uitzetten.

Afbeelding 5-23 Een warmtemeter.





Warmtemeter met water
Voorbeeld 1

Een warmtemeter wordt gevuld met 100 g water. Het verwarmingsele­ment heeft een vermogen van 20 W.

Van de meting wordt een tempera­tuur/ tijddiagram gemaakt.




Afbeelding 5-24 Temperatuur/tijddiagram.


Je ziet dat de grafiek een rechte lijn is. Dat betekent dat voor elke graad tem­peratuurstijging evenveel warmte nodig is.

De hoeveelheid warmte die nodig is om 1 gram water 1 °C in temperatuur te laten stijgen, noem je de soortelijke warmte. Uit proeven met de warmte­meter blijkt dat er 4,2 J energie nodig is om 1 gram water 1 °C in tempera­tuur te laten stijgen.

De soortelijke warmte van water is dus4,2 J /g°C.

Om 1 kg water 1 °C in temperatuur te verhogen is dus 4,2 kJ nodig.


Elke stof heeft zijn eigen soortelijke warmte. Je kunt die opzoeken in de tabellen ‘Gegevens van vaste stoffen’ en ‘Gegevens van vloeistoffen’ achter­in dit tekstboek.

Vaak wordt in plaats van graden cel­sius gewerkt met kelvin. Een tempe­ratuurverschil in graden celsius is al­-tijd even groot als in kelvin.



Rekenen met soortelijke warmte
Als je theewater opzet, wordt de ver-brandingswarmte uit het aardgas ge­bruikt om het water te verwarmen. Je wilt 1,5 liter water van 20 °C tot 100 °C verwarmen (koken). Hoeveel energie heb je daarvoor nodig?

Om 1 kg (= 1 liter) water 1 °C te ver­hogen, heb je 4,2 kJ nodig.

Om 1,5 kg (= 1,5 liter) water 1 °C te verhogen, heb je 1,5 x 4,2 = 6,3 kJ no­dig.

Om 1,5 kg water 80 °C (100 °C-20 °C) te verhogen heb je 80 x 6,3 = 504 kJ no­dig.


Dit is heel wat gereken. Gelukkig kun je het ook in één keer uitrekenen met de formule:

Q = m x c x ∆T
Hierin is:

Q de energie in kJ



m de massa in kg

c de soortelijke warmte in kJ/kg °C ∆ T het temperatuurverschil.
Als je de formule voor het voorbeeld invult krijg je:

Q = 1,5 x 4,2x 80

Q = 504 kJ.
Voorbeeld 2

Janneke gebruikt voor het zetten van een kopje thee 0,5 kg water op het gas­fornuis. Het water wordt verwarmd van 20 °C tot 100 °C. Als het rende­ment van het fornuis op 80% wordt gesteld, hoeveel m3 aardgas wordt dan in totaal verbruikt?



Afbeelding 5-25 Janneke zet thee...


Gegeven

m= 0,5 kg

T = 80 K



η = 80%
Oplossing

Nuttig gebruikte energie Q = m x c x ∆T



Q= 0.5 x 4,2 x 80 = 168 kJ
n= E nutting x 100% / Etotaal

80= 168 x 100%/ Etotaal

Etotaal = 1680 /80 =210 kJ.
Voor het zetten van de thee werd 210 kJ toegevoerd, terwijl er maar 168 kj nodig was. Nu moetje nog omrekenen hoeveel m3 overeen komt met 210 kJ. Uit de tabel ‘Verbrandingswarmte’ achterin dit boek haal je dat 1 m3 aard­gas 30 000 kj levert.

Dus 210 Kj heeft een volume van 210/30 000 = 0,007 m3 (7 liter aardgas).






ONTHOUD:

De hoeveelheid energie die no­-


dig is om een stof te verwar­-
men kun je meten met een
warmtemeter.

De hoeveelheid warmte die no­-


dig is om 1 gram water 1 °C in
temperatuur te laten stijgen,
noem je de soortelijke warmte.
De soortelijke warmte kun je
berekenen met de formule:

Q = m x c x ∆T

Hierin is:

Q de energie in kJ
m de massa in kg
c de soortelijke warmte in
kJ/kg . C

Thet temperatuurverschil in °C.


Let op:

Als de massa in grammen


staat, komt de energie in Joule
te staan.

Als de massa in kilogrammen


staat dan komt de energie in
kjoule te staan.

Let hier dus op bij berekeningen!



De formule en de warmte­­meter

Als je de warmtemeter gebruikt, dan wordt er altijd een beetje warmte ver­bruikt voor de opwarming van de warmtemeter zelf. Voordat je een proef doet met een warmtemeter,



moet je weten hoeveel warmte de me­ter zelf opneemt. Je kunt er achter ko­men door de warmtecapaciteit van de meter te meten. De warmtecapaciteit (C) is de hoeveelheid warmte die no­dig is om het bakje met toebehoren van de warmtemeter 1 °C in tempera­tuur te laten stijgen.

De totale hoeveelheid warmte (Q) die de warmtemeter bij een tempera­tuurstijging (∆T) opneemt, kun je be­rekenen met de formule:

Q=CxT
Hierin is:

Q de energie in kJ

C de warmtecapaciteit kJ/°C

T het temperatuurverschil in °C

Voorbeeld 1

Een centrale-verwarmingsketel (C = 80 kJ/K) heeft een waterinhoud van 60 liter (stel even op 60 kg) die wordt opgewarmd van 283 K naar 333 K. Hoeveel warmte is hiervoor nodig?




Afbeelding 5-26 Temperatuur/warmtegrafiek.
Oplossing

Lijn a verwarming water, geen fase­verandering

Lijn b verwarming ketel

Lijn a

m = 60 kg

c = 4,2 kJ/kg ·K

Q = mxcxT

T = 50 K (333 K- 283 K)



Q = 60x4,2x50 = 12 600k J

Lijn b


C = 80 kJ/K

∆T = 50K


Q=Cx∆T

Q = 80x50 = 4000 kj
Qt = Qa + Qb

Qt = 12 600 + 4 000 = 16 600kJ
Voorbeeld 2

In een bakje (C = 40 J/K) wordt een blokje ijs van 253 K verwarmd tot 300 K. Hoeveel warmte is hiervoor no­dig? Massa ijs = 25 g.



Afbeelding 5-27 Temperatuur/warmtegrafiek.


Oplossing

De grafiek stelt voor:

lijn a: verwarming ijs 253 K 273 K

lijn b: smelten van ijs

lijn c: verwarmen van water van 273K

300K

lijn d: verwarmen bakje van 253 K 300 K

Lijn a

m = 25 g

c = 2,1J/g.K

T = 20 K (273 K-253 K)

Q = mxcx∆T

Q = 25x2,lx20 = 1050 J

Lijn b


Lees uit de diagram af: 9425 -1050 = 8375 J
Lijn c

m = 25 g


c = 4,2J/g.K

T = 27 K (300 K-273 K)



Q = mxcxT

Q = 25x4,2x27 = 2835 J

Lijn d


C = 40J/K

T = 47 K (300 K-253 K)



Q=Cx∆T

Q=40x47 = 1880 J
Qt = Qa + Qb + Qc + Qd

Qt = 1050 + 8375 + 2835 +1880 = 14140 J


Maak nu : O:5/35 t/m O:5/41




10 Schakeling

elektriciteit en warmte
Het verwarmen van stoffen gebeurt vaak met behulp van elektriciteit. Er moet dan ook een koppeling zijn tus­sen de formules van elektriciteit en van warmte.

Het verband hiertussen is dat de E van elektrische energie hetzelfde is als de Q van warmte.


energie = warmte

E = Q

Px t = m x cx ∆T



Hierin is:

P vermogen in Watt

t tijd in s

In eenheid Ws =J Voorbeeld 1



In een bakje wordt 150 g water van 288 K verwarmd met een dompelaar. De dompelaar geeft een vermogen af van 315 W. De dompelaar staat tien seconden aan.

Afbeelding 5-28 Dompelaar.



Bereken:


a Hoeveel warmte wordt aan het

water toegevoegd?

b Wat wordt de eindtemperatuur

van het water?


Oplossing

P = 315W


t = 10s

E = Pxt

E = 315 x l0 = 3150 Ws



E = Q

Q = 3150 J

c = 4,2J/g.K

m = 150 g



Q=mxcxT

3150 = 150x4,2x∆TT = 3150 /(150 x 4,2) ∆T =5K


begintemperatuur = 288 K

T = 5 K eindtemperatuur 293 K


Voorbeeld 2

In een bekerglas doe je 240 g ge­schraapt ijs van -10 °C.

Je zet in het bekerglas een elektrische dompelaar van 500 W, 220 V.

Na hoeveel seconden is het ijs omge­zet in water van 10 °C?



Afbeelding 5-29 Temperatuur /warmtegrafiek



Oplossing

Lijn a: verwarming ijs tot smeltpunt Lijn b: smelten van ijs

Lijn c: verwarmen water tot 10 °C

(283 K)
Qa = mxcxT



Qa = 240x2,1x10

Qa = 5040 J
Qb = lees uit de diagram

85 680-5040 = 80 640 J


Qc = mxcxT

Qc = 240x4,2x10

Qc = 10 080 J
Qt = 95 760 J

E = 95 760Ws E = Pxt

95 760 = 500 x t

t = 191,52 s 3 min en 2 s

Maak nu : O:5/42 t/m O:5/51



11 Warmte en fase­overgangen

Een lekker geurtje
Om lekker te ruiken gebruiken som­mige mensen parfum, lotion of after­shave. Dit zijn volei­-
stoffen die lang­-
zaam verdampen
als je ze op je huid
smeert. Als je zo'n
vloeistof op doet,
Afbeelding 5-30 Om lekker
te ruiken is ook verdam-
pingswarmte nodig. Daar
zorgt de huid voor.

dan voel je dat het op die plek kouder wordt. Dit is niet omdat de vloeistof koud is, maar omdat de vloeistof aan het verdampen is. Verdampen kost namelijk energie. Deze energie wordt onttrokken aan je huid; die koelt dus af. Je hebt hier te maken met het be­grip verdampingswarmte. Met ver­dampingswarmte wordt bedoeld: de hoeveelheid warmte (energie) die no­dig is om één kilogram bij het kook­punt om te zetten in de damp van de­zelfde temperatuur. De verdam­pingswarmte is een stofeigenschap.

Als een stof condenseert, komt er juist warmte vrij. De hoeveelheid warmte die vrijkomt, is gelijk aan de hoeveel­heid die nodig was voor het verdam­pen. Je kunt dus ook spreken van con­densatiewarmte. De condensatie­warmte is gelijk aan de verdampings­warmte. Een koelkast is eigenlijk een grote verdamp-condenseermachine. Hoe hij precies werkt ga je zelf onder­zoeken.




ONTHOUD:

De verdampingswarmte van


een stof is de hoeveelheid
warmte (energie) die nodig is
om bij het kookpunt één kilo­-
gram van die stof om te zetten
in een damp van dezelfde tem­-
peratuur.

De condensatiewarmte is de


hoeveelheid warmte (energie)
die vrijkomt als 1 kilogram
damp condenseert.

Van een stof zijn de condensa­- tiewarmte en de verdampings­-

warmte gelijk.

De eenheid van condensatie­- warmte en verdampingswarm­- te is Joule per kilogram (J/kg).


Voorbeeld

In een bekerglas ligt 15 g ijs van 0 °C. Hoeveel warmte moet worden toege­voerd om dit ijs te laten smelten?



Oplossing

Het gaat hier om een fase-overgang van de vaste naar de vloeibare fase. De temperatuur blijft gelijk.



m = 15 g

De smeltingswarmte van water is: 334 J/g.



Q = massa x smeltingswarmte

Q = 15x334

Q = 5010 J

Er is 5010 J nodig om deze 15 g ijs te la­ten smelten.
12 Smelten en
stollen

Bij de fase-overgangen vast-vloeibaar en vloeibaar-vast gebeurt eigenlijk het­zelfde. Om een stof te laten smelten is energienodig.Ditnoemje ook welsmelt­warmte. Met smeltwarmte wordt be­doeld: de hoeveelheid warmte (energie) die nodig is om één kilogram van een stof te smelten (J /kg) bij het smeltpunt.

Als een stof stolt, komt er juist energie vrij. Dit noem je ook wel stollingswarmte. Met stollingswarmte wordt be­doeld: de hoeveelheid warmte (energie) die vrij komt als één ki­logram van een stof stolt (J / kg).
Afbeelding 5-31 Om de kaas in de tosti te laten smelten, moet je energie toevoegen.

Maak nu : O:5/52 t/m O:5/58






SAMENVATTING


1 De warmte-overdracht van de zon naar de aarde gaat door middel van straling.

Zonder de dampkring zou de temperatuur op aarde veel lager zijn.

2 Onder het broeikaseffect verstaan we de opwarming van de aarde. Deze opwarming wordt veroorzaakt door de uitstoot van koolstofdioxide (CO2). Koolstofdioxide komt vrij bij de verbranding van fossiele brand­ stoffen.

3 De totale hoeveelheid energie blijft voor en na de energieomzetting gelijk. Dit noem je ook wel de wet van behoud van energie.

4 Het rendement geeft aan hoeveel procent van de opgenomen energie wordt omgezet in nuttige energie.

η = Enut/Eopx100%

Hierin is:

η het rendement,

Enut de hoeveelheid energie die nuttig wordt gebruikt,

Eop de hoeveelheid opgenomen energie.

5 De hoeveelheid energie die vrijkomt bij volledige verbranding van een kilogram vaste stof of kubieke meter vloeistof of gas noem je de verbran-dingswarmte.

De eenheid van verbrandingswarmte is J/kg voor vaste stoffen en J/m3 voor vloeistoffen en gassen.

6 De hoeveelheid energie die nodig is om een stof te verwarmen kun je me­ten met een warmtemeter.




7 De hoeveelheid warmte die nodig is om 1 gram water 1 °C (of 1 K) in tem­- peratuur te laten stijgen, noem je de soortelijke warmte.

De soortelijke warmte kun je berekenen met de formule:

Q=mxcxT
Hierin is:

Q de energie in KJ,

m de massa in kg

c de soortelijke warmte in kJ/kg·°C (kJ/kg·K),

Thet temperatuurverschil in °C of K.



  1. De verdampingswarmte van een stof is de hoeveelheid warmte (energie) die nodig is om bij het kookpunt één kilogram van die stof om te zetten in een damp van dezelfde temperatuur.

  2. De condensatiewarmte is de hoeveelheid warmte (energie) die vrijkomt als 1 kilogram damp condenseert.

Van een stof zijn de condensatiewarmte en de verdampingswarmte gelijk.

De eenheid van condensatiewarmte en verdampingswarmte is joule per kilogram (J/kg).

10 Smeltingswarmte is hoeveelheid warmte (energie) die nodig is om één

Kilogram van een stof te smelten (J/kg)bij het smeltpunt.

11 De stollingswarmte is de hoeveelheid warmte (energie) die vrij komt als één kilogram van een stof stolt (J/kg).

Van een stof zijn de smeltingswarmte en de stollingswarmte gelijk.





De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina