Fotosynthese en energie op aarde

Transcriptie

1 Docentenhandleiding voor de NLT module Brandstof voor het leven! Fotosynthese en energie op aarde Inhoudsopgave 1. Inleiding De module in één oogopslag Leerdoelen Contexten Concepten Vaardigheden Voorkennis Leerplan Toelichting bij leerlingopdrachten Bronnen bij leerlingmateriaal (o.a. antwoorden) Toetsing Suggesties en extra opdrachten Achtergrondinformatie

2 1. Inleiding Dit is de docentenhandleiding bij de NLT module Brandstof voor het leven. In deze handleiding zijn de leerdoelen van de module beschreven, evenals een planning en benodigdheden om de praktische opdrachten goed uit te voeren. LET OP: OM DEZE MODULE GOED UIT TE VOEREN MOET ER EEN VOORBEREIDINGSTIJD VAN MINIMAAL DRIE WEKEN IN ACHT WORDEN GENOMEN! Dit i.v.m. het voorkweken van algen en het evt. bestellen van de benodigde materialen. Ook zijn in deze docentenhandleiding antwoorden opgenomen van de opdrachten zoals beschreven in het leerlingmateriaal. Er staan ook verwijzingen naar literatuur (al dan niet op internet) waarmee de docent zich kan verdiepen in het onderwerp. Vragen over de module kunnen het best gesteld worden aan Bètasteunpunt Wageningen: Ook is er een website speciaal voor docenten die met modules van Wageningen werken: Nadere informatie over nascholing NLT vindt u op bovenstaand adres. Verdere informatie over NLT-nascholingen vindt u bij onder regionaal. 2

3 2. De module in één oogopslag Titel Code Status havo/vwo Beoogd leerjaar Omschrijving Context Brandstof voor het leven; fotosynthese en energie op aarde nlt2-v109 gecertificeerd vwo 5/6 vwo De concepten fotosynthese en energie worden behandeld aan de hand van een actueel probleem, namelijk: energieverbruik en de daarbij behorende CO 2 -uitstoot. Dat laatste heeft weer gevolgen voor het klimaat. De eindopdracht gaat over het ontwerp van een mogelijk alternatief om het gebruik van brandstoffen te beperken: de gesloten kas. Andere opdrachten behandelen o.a. de groei van biomassa en de daarvoor benodigde CO 2. Na hun eindexamen gaat een groep leerlingen met het vliegtuig op vakantie naar de VS. Tijdens de reis (en ook bij het plannen) worden ze geconfronteerd met het energieverbruik van vliegtuigen, auto s, airconditioning en de daarbij behorende CO 2 -uitstoot. Drie belangrijke oplossingen voor dit probleem worden behandeld in theorie en praktijk: A. compensatie van CO 2 -uitstoot door fotosynthese B. warmteopslag in gesloten kassen C. productie van biobrandstof. hfd 4 Contexten Concepten fotosynthese thermodynamica technisch ontwerpen modelleren. hfd 5 Concepten Vaardigheden Voorkennis Studielast De leerlingen leren formules voor grafieken te vinden met behulp van de grafische rekenmachine. Daarnaast leren de leerlingen experimenten voor te bereiden, uit te voeren en kort schriftelijk te verslaan. Leerlingen moeten weten dat licht uit fotonen bestaat (natuurkunde), dat de zon een heleboel fotonen uitzendt (natuurkunde/algemene kennis) en wat moleculen zijn (scheikunde). Verder is de inleiding zo opgebouwd dat ook NT-leerlingen zonder biologie de module goed kunnen volgen. Eventuele overlap met leerlingen die wel biologie hebben zal zeer gering zijn. Bovendien is een klein stukje herhaling niet slecht. 40 slu hfd 6 Vaardigheden hfd 7 Voorkennis Structuur Het theoretische gedeelte is voornamelijk lineair. hfd 8 3

4 Daarnaast een parallel gedeelte voor de praktische opdrachten. Leerplan Leerlingactiviteiten klassikaal zelfstandig groepswerk praktisch werk. hfd 9 Toelichting bij leerlingopdrachten Faciliteiten computers met internetverbinding materiaal om poster te ontwerpen IPCoach 5, software en systeembord benodigd materiaal voor experimenten staat beschreven in hoofdstuk 9 van deze docentenhandleiding. hfd 10 Bronnen bij leerlingmateriaal Toetsvormen en weging Aansluitende modules N.B. De hier aangegeven weging kan naar eigen inzicht aangepast worden. schriftelijke toets A over CO 2 uitstoot en - compensatie; weging 1/6, met bodemcijfer 5,5 schriftelijke toets B over warmte, energie en groeimodellen; weging 1/6, met bodemcijfer 5,5 schriftelijke toets C over fotosynthese; weging 1/6, met bodemcijfer 5,5 eindopdracht (ontwerpopdracht); weging 1/6 uitvoering praktische opdrachten; weging 1/3. Er zijn nog geen aansluitende modules. hfd 11 Toetsing 4

5 3. Leerdoelen 1. Het hebben van inzicht in plantengroei. Dit leerdoel wordt getoetst in de schriftelijke toets Fotosynthese. 2. Berekeningen kunnen maken over CO 2 -uitstoot en compensatie voor CO 2 -uitstoot. Dit leerdoel wordt getoetst in de schriftelijke toets CO 2 -uitstoot. 3. Het algemene belang van fotosynthese beseffen. Dit leerdoel wordt getoetst in de schriftelijke toets Fotosynthese. 4. Belangrijke onderdelen in de fotosynthese kunnen benoemen en de werking ervan begrijpen. Dit leerdoel wordt getoetst in de schriftelijke toets Fotosynthese. 5. Het kunnen onderscheiden van de licht- en de donkerreactie. Dit leerdoel wordt getoetst in de schriftelijke toets Fotosynthese. 6. Het kunnen beschrijven van de belangrijkste aspecten van een energie-efficiënte kas. Dit leerdoel wordt getoetst in de schriftelijke toets Energie, warmte en groeimodellen. Dit leerdoel wordt getoetst in de eindopdracht. 7. De algemene principes van energie-efficiëntie kunnen gebruiken in andere contexten. Dit leerdoel wordt getoetst in de schriftelijke toets Energie, warmte en groeimodellen. Dit leerdoel wordt getoetst in de eindopdracht. 8. Kennis hebben van de werking van warmtewisselaars. Dit leerdoel wordt getoetst in de schriftelijke toets Energie, warmte en groeimodellen. Dit leerdoel wordt getoetst in de eindopdracht. 9. Het inzicht hebben dat de werkelijkheid te versimpelen is d.m.v. modelsystemen. Dit leerdoel wordt getoetst in de schriftelijke toets Energie, warmte en groeimodellen. 10. Uitkomsten van practicum overzichtelijk presenteren. Dit leerdoel wordt getoetst in de praktische opdrachten. 5

6 4. Contexten Na hun eindexamen gaat een groep leerlingen met het vliegtuig op vakantie naar de VS. Tijdens de reis (en ook bij het plannen) worden ze geconfronteerd met het energieverbruik van vliegtuigen, auto s, airconditioning en de daarbij behorende CO 2 - uitstoot. Planten kunnen CO 2 opnemen tijdens de fotosynthese. Dit levert energie op. Uiteindelijk is alle energie afkomstig van de zon. Drie belangrijke oplossingen voor dit probleem worden behandeld in theorie en praktijk: A. compensatie van CO 2 -uitstoot door fotosynthese B. warmteopslag in gesloten kassen C. productie van biobrandstof. Op de volgende pagina wordt dit nader uitgewerkt. Voor meer informatie en achtergronden zie hoofdstuk 13 van deze docentenhandleiding. 6

7 Een vliegreis naar Amerika draagt bij aan twee milieuproblemen 1. Uitstoot van koolstofdioxide, waardoor versneld broeikaseffect. 2. Opraken van fossiele brandstoffen. Nog maar voor 50 jaar brandstoffen. Kennis van fotosynthese levert bijdrage aan oplossingen! Deel A Deel B Deel C. Mogelijke oplossing A Compensatie koolstofdioxideuitstoot door vastleggen in groeiende planten. Uitwerking A Voor het meten van koolstofdioxide-fixatiedoor algen is het noodzakelijk het volgende te begrijpen: Mogelijke oplossing B Verlaging van koolstofdioxide-uitstoot en beperking brandstofverbruik door middel van de gesloten kas: Verhogen van de opbrengst van de fotosynthese en opslag van zonne-energie in de grond. Uitwerking B Voor het ontwerpen van een gesloten kas is het noodzakelijk het volgende te begrijpen: Mogelijke oplossing C Zoeken naar alternatieve brandstoffen. Fotosynthese kan daarbij een handje helpen. Uitwerking C Voor de oplossing is het nodig het fotosyntheseproces goed te begrijpen om de volgende vragen te kunnen beantwoorden: - meten van biomassa en droge stof als maat voor groei - meten van oppervlakte als maat voor groei - groeimodellen. - moleculen in relatie tot warmte - kwantificeren van warmte (hoe bereken je aan warmte) - warmtetransport (met betrekking tot warmtetransport) - warmtewisselaars (in gesloten kas) - energieopslag van een gesloten kas berekenen. - Hoe kan de fotosynthese ons nieuwe brandstoffen leveren? - Hoe komt een plant dan aan de bouwstoffen voor olie? Fotosynthese uitleg. - Olie uit algen voor biodiesel? Een oplossing? Hoe maakt een plant olie? Vetzuurcyclus. - Hoe verbrandt een plant? Dissimilatie uitleg. - Hoe kunnen we de fotosynthese gebruiken voor het oplossen van het brandstofprobleem? Experiment A Experiment B: Experimenten C: Kweken van algen in een gesloten kasopstelling. Dit is een modelsysteem waar gemakkelijk aan te rekenen is. (biologie). Warmtewisseling van een koperbuis (natuurkunde). - Hoe kweek je algen? Berekenen aan biomassa. Stel dat 30% van de algen biodiesel maakt. Hoeveel biomassa heb je nodig voor 1 L algenolie. (biologie) - Van zonnebloemolie biodiesel maken (scheikunde) - Experiment eigenschappen van chlorofyl (biologie) Conclusies over de potentie van deze mogelijkheden voor het oplossen van het vliegreisprobleem. Eindopdracht 7

8 5. Concepten Vakbegrippen en concepten Fotosynthese chloroplasten, thylakoïden Stroma, Lumen antenne-complexen, chlorophyl (a,b), cartenoïden fotonadsorptie, energieoverdracht naar reactiecentrum via pigmenten Fotosysteem II, Fotosysteem I, Z-schema. vastleggen energie in ATP en NADPH gebruik van ATP en NADPH bij CO 2 -fixatie. Thermodynamica energie warmte soortelijke warmte warmtetransport (warmtewisselaars). Technisch ontwerpen ontwerp van een energie-efficiënte kas. Modelleren modelleren van (planten)groei. 8

9 6. Vaardigheden De leerlingen leren formules voor grafieken te vinden met behulp van de grafische rekenmachine. Daarnaast leren de leerlingen experimenten voor te bereiden, uit te voeren en kort schriftelijk te verslaan. 9

10 7. Voorkennis Onderbouwkennis op het gebied van natuurkunde, wiskunde, biologie en scheikunde. Enigszins vertrouwd zijn met het denken op moleculair niveau en het abstracte denken behorend bij natuur- en wiskunde. 10

11 8. Leerplan Beschrijving Deze module is opgesplitst in drie delen: deel A, B en C. Alle drie de onderdelen hebben een theoretisch en een praktisch deel. Theorie De theorie kan ingedeeld worden in drie stukken: Deel A gaat over CO 2 -compensatie. Deel B gaat over energie en warmte, en is gericht op nuttige toepassing van zonneenergie in de gesloten kas. Deel C gaat over fotosynthese, assimilatie/dissimilatie etc.. In deel A worden de leerlingen via de context ingeleid in de energieproblematiek en de problematiek van de CO 2 -uitstoot. Daarna wordt de leerling, middels de context, verzocht toepassingen te bedenken voor de grote hoeveelheid zonlicht die iedere dag verloren gaat. Tenslotte wordt ingegaan op de groei van biomassa in de vorm van algen waarbij ook aandacht wordt gegeven aan groeimodellen. Dit deel wordt afgesloten met een toets. Deel B gaat over de gesloten kas en de mogelijkheden om een gesloten kas om te bouwen tot een energiecentrale. Eén van de nuttige toepassingen is warmteopslag in de grond, waar vervolgens verder op ingegaan wordt via de context van een gesloten kas. Hierbij worden de begrippen energie en warmte behandeld. Dit deel wordt afgesloten met een toets. In deel C over brandstoffen wordt ingegaan op hoe de leerlingen zelf aan energie komen en op hoe lichaamscellen van de leerlingen aan energie komen. Vervolgens wordt behandeld hoe planten energie opslaan door middel van fotosynthese. Dit deel wordt afgesloten met een toets. Hoofdstuk 7 is een optioneel hoofdstuk. De theorie is niet nodig voor de practica, maar is ter volledigheid toegevoegd aan de module. In hoofdstuk 10 van het leerlingmateriaal is een stuk theorie opgenomen over groeimodellen. Deze theorie helpt de leerlingen de groei van kroos en algen te begrijpen en te verwerken. Practicum Het practicum bestaat uit drie experimenten en een theoretisch deel over groeimodellen. LET OP: HET PRACTICUM VEREIST DRIE WEKEN VOORBEREIDING! In het eerste experiment (deel A, hoofdstuk 3 Experiment: fotosynthese bij algen) wordt de invloed van verschillende variabelen op biomassaproductie bestudeerd. Dit gebeurt door om beurten verschillende variabelen (maar per experiment telkens één variabele) te veranderen in een kweek van algen. De tweede serie experimenten (deel B, hoofdstuk 4, experimenten 21, 25 en 29: warmtewisseling van een koperbuis) betreffen onderzoek naar warmtetransport. Het derde experiment (deel C, hoofdstuk 11 Experiment: eigenschappen van chlorofyl) richt zich op de eigenschappen van chlorofyl. Door extractie van pigmenten uit diepvries spinazie kan gekeken worden naar het aantal verschillende componenten (chromatografie) en de invloed van licht van verschillende golflengten. Tenslotte wordt een kweek van olieproducerende algen ingezet en onderzocht. De resultaten van het practicum moeten gerapporteerd worden. De kwaliteit en de manier van werken worden opgenomen in het eindcijfer voor deze module. Deel A, deel B en deel C kunnen eventueel naast elkaar gegeven te worden. Eindopdracht Als afsluiting van de module is er een ontwerpopdracht (Hoofdstuk 11 van het leerlingmateriaal) die alle gebieden integreert. De leerlingen en docent moeten een keuze maken tussen drie opdrachten: Onderzoek aan een continureactor voor de kweek van 11

12 algen, Onderzoek aan een warmte-opslagsysteem voor stralingswarmte van de zon, onderzoek aan een dieselproductie installatie. Differentiatie Onderwerp Werkzaamheid leerlingen Contacttijd Inleiding vliegreis Opgaven maken 1 Deel A CO 2 -uitstoot en compensatie Opgaven maken 2 Groei van algen Groeimodellen Opgaven maken Practicum 3 Toets 1 De gesloten kas 1 Deel B Warmtewisselaar Opgaven maken 2 Experiment afkoeling Practicum 2 Toets 1 Theorie fotosynthese Opgaven maken 2 Deel C Biodiesel Opgaven maken Practicum 2 Chlorofyl Opgaven maken Practicum 2 Toets 1 Eindopdracht 12

13 9. Toelichting bij leerlingopdrachten Materialen voor het practicum Hoofdstuk 3.1 Bioreactor In dit hoofdstuk worden algen gekweekt in een vat (afbeelding 5 en 6 van het leerlingmateriaal). Algen (Chlorella). Op de website van het steunpunt Wageningen vindt u adressen voor het bestellen van algen. Ga naar Opleidingen/Docentenvwo/Vakken/NLT/Nieuws.htm Halverwege de pagina worden twee adressen genoemd waar de algen besteld kunnen worden. volglasaquarium of accubak met thermostaat en verwarmingselement. kweekbakjes voor in het aquarium. natriumbicarbonaat bouwlamp statiefmateriaal maatcilinder siliconenslang 6-8 mm Hoofdstuk 3.2 Bioreactor In deze paragraaf wordt gewerkt met modellen. computers met Excel of Coach. Hoofdstuk 4.1 Experiment warmte-eigenschappen olie en water 2 identieke bekerglazen 100 gram water 100 gram olie 2 identieke dompelaars 2 thermometers. Hoofdstuk 4.5 Experiment 25: afkoeling potjes wit potje zwart potje spiegelend potje heet water 3 kurken met gat voor thermometer 2 thermometers. Hoofdstuk 4.8: warmtewisseling van een koperbuis koperbuis van 1,0 m lengte heet water computer, Coach interface en software thermometer of temperatuursensor. 13

14 4.8 Experiment: warmtewisseling van een koperbuis Hieronder volgt een uitgebreide uitwerking van het experiment afkoeling van een buis. In dit voorbeeld is gekozen voor een meting m.b.v. Go-Link omdat de benodigde apparatuur erg gemakkelijk te bedienen is en bovendien eenvoudig en goedkoop te verkrijgen is. Uiteraard kan het experiment ook met coach uitgevoerd worden. Ook vanuit Coach kunnen de meetwaarden makkelijk naar Excel gekopieerd worden. Bekijk de opstelling. Benodigde componenten: o o o Computer met interface: de Go-link. Het programma dat communiceert met de go-link is al geactiveerd. Een temperatuursensor die kan worden aangesloten op de Go-link. Een koperbuis van 0,5 m lengte en een binnendiameter van 22 mm en een buitendiameter van 24 mm, aan beide kanten afgesloten met een kurk. Door een van de kurken wordt de temperatuursensor gestoken. Probeer de temperatuursensor uit. Onderzoek hoe je de meettijd kunt instellen. Onderzoek hoe je de meetwaarden kunt uitlezen. Registreer de kamertemperatuur en noteer deze waarde ergens als T omg. Vul de buis met heet water en start de meting. Registreer de temperatuur van de afkoelende buis gedurende 20 minuten. Importeer de tabel met de twee kolommen tijd en temperatuur via copy-paste in Excel. Maak een nieuwe kolom met het temperatuurverschil met de omgeving: (TV = T - T omg ) Maak een grafiek van TV tegen de tijd. Hieronder is het resultaat van een meting te zien. De bijbehorende tabel is als bijlage toegevoegd. temperatuurverloop dikke buis y = 40.57e x R 2 = t (min) TV (C) Analyse van de meetresultaten: bepaling van de afkoelconstante c A 14

15 In de leerlingenhandleiding worden vijf methodes genoemd om uit deze grafiek de afkoelconstante te bepalen. Je kunt voor een aantal tijdstippen TV bepalen en dtv/dt (Dat is dus eigenlijk de temperatuurdaling per seconde want het temperatuurverschil neemt natuurlijk even snel af als de temperatuur zelf). Uit dit verband volgt de afkoelconstante. Als de resultaten verzameld zijn met IPCoach kun je via modelomgeving (IPCoach 5) of via Excel een model ontwerpen en dan via curve fitting de waarde van de afkoelconstante bepalen. Met de rekenmachine via de optie expreg kan de afkoelconstante worden bepaald. Deze methode evenals de hierna genoemde vereisen kennis over (natuurlijke) logaritmen. Ook via de zogenaamde halveringstijd (de tijd waarin de het temperatuurverschil met de omgeving halveert kan de afkoelconstante worden bepaald. Tenslotte kan de curve omgebouwd worden tot een rechte lijn waarna bepaling van de richtingscoëfficiënt de afkoelconstante oplevert. Hieronder wordt op twee manieren de afkoelconstante bepaald. 1 e methode De minst bewerkelijke methode maakt gebruik van Excel om exponentiële functies te fitten. Deze methode is het meest eenvoudig, en is gelijkwaardig met methode 3 uit bovenstaande lijst maar kan voor leerlingen als een duveltje uit een doosje komen omdat de achterliggende wiskunde niet is behandeld. Er geldt namelijk dat hier sprake is van een differentiaalvergelijking van het type y =cy. De oplossing hiervoor is een e-macht. y y * e cx In ons geval is y het temperatuurverschil, x is de tijd en c is de afkoelconstante. De beginwaarde y o is dan het temperatuurverschil op t = 0. Bij Excel is het mogelijk een trendlijn toe te voegen aan een grafiek. Daarbij is er ook de mogelijkheid van een exponentiële functie. In de grafiek hierboven is dat gebeurd. Het resultaat staat in de bovenhoek. Hieruit volgt dan ook de afkoelconstante. In bovenstaand experiment wordt een afkoelconstante gemeten: c A = 0,0305 min -1 De eenheid volgt uit het feit dat de tijd in minuten is gemeten en het feit dat de exponent van de e-macht dimensieloos moet zijn. Blijkbaar neemt het temperatuurverschil met de omgeving af met 3,05 % per minuut. Per seconde is dat dus 60 x zo weinig. Dus 0,51 promille per s. Tweede methode Ook langs andere weg kunnen we uit de meetresultaten de afkoelconstante bepalen. Daartoe moet voor een aantal tijdstippen de grootheid dtv/dt worden berekend. Vervolgens moet de grootheid dtv/dt worden uitgezet tegen TV. Volgens het verband dtv dt met c A als richtingscoëfficiënt. ca * TV zou hier een rechte lijn uit moeten komen De grootheid dtv/dt zou als volgt bepaald kunnen worden. Wordt voor dt de stapgrootte van de meting genomen dan zou voor dtv de waarde gevonden worden van het verschil 15

16 tussen twee opeenvolgende waarden van TV. In dat geval zal de grafiek een grillig verloop kennen omdat meetonnauwkeurigheden maximaal zichtbaar worden. Beter is het om steeds waarden om de drie metingen van elkaar af te trekken. De stapgrootte dt wordt dan natuurlijk ook 3x zo groot. Delen van dtv door dt levert de gewenste grootheid op. Hieronder is dit in een klein voorbeeld weergegeven: A B C D E F 1 kamertemperatuur t T TV dtv dtv/dt in oc Ter verduidelijking De kolom TV is berekend door middel van de formule C3 = B3-J$1 en dan de cel te kopiëren naar onderliggende cellen (Het $-teken dient om aan te geven dat deze waarde niet meeloopt!) De kolom dtv/dt wordt dan als volgt berekend: D6 = C6-C3 en vervolgens kopiëren. dtv/dt wordt berekend met: E6 = D6/1 (want 1 minuten verstreken!). Vervolgens kopiëren. Tenslotte moet kolom E tegen F worden uitgezet. Trekken van een trendlijn met lineair verloop geeft de rico en dus de afkoelconstante c A. in min

17 daalsnelheid als functie van het temperatuurverschil y = x R 2 = dtv/dt in C/min TV(C) Hier vinden we een afkoelconstante van 0,0318 min -1. (0,00053 s -1 ) Een kleine afwijking dus. Voor de dikke buis geldt: V koper =2πr*l*dikte=2*3,14*23/2*500*1=36,1 cm 3 m koper =ρv=8,95*36,1=323g C koper =mc=0,323*387=125j/k m water = πr 2 * l * ρ =3,14* 1,1 2 *50 *1 = 189,9 g C water = mc = 189,9*4,18 = 794 J/K C buis =C water +C koper = =929 J/K Voor de k l -waarde van de buis wordt nu gevonden: C * ca 929*0,00051 k 0, 95 0,5 W mk Het hele experiment is nog eens overgedaan voor een dunne buis met een binnendiameter van 12mm en een buitendiameter van 14 mm. Deze koelt sneller af. Er wordt een afkoelconstante gevonden van 0,0457 min -1 (bij gebruik van de andere methode:0,0481 min -1 ) en dus c A = 0,00076 s -1 (0,00081s -1 ) Voor de dunne buis geldt: V koper =2πr*l*dikte=2*3,14*13/2*500*1=20,4 cm 3 m koper =ρv=8,95*20,4=183g C koper =mc=0,183*387=70,6j/k m water = πr 2 * l * ρ =3,14* 0,6 2 *50 *1 = 56,5 g C water = mc = 56,5*4,18 = 236 J/K C buis =C water +C koper =236+71=307 J/K Voor de k l -waarde van de buis wordt nu gevonden: 17

18 C * ca 307*0,00076 k 0, 46 0,5 W mk 18

19 Hoofdstuk 6 Experiment: eigenschappen van chlorofyl Bij de chromatografie proef kan, indien mogelijk, een controle-chromatogram gemaakt worden met bekende pigmenten om de resultaten van de bladgroenpulp mee te vergelijken. Voorwaarde is dan wel, dat het controlemonster en de bladgroenpulp op hetzelfde chromatogram kunnen worden afgelezen en vergeleken. Benodigde materialen Bladgroenextract en - pulp etiketten, watervaste stift 400 gram (diepgevroren) spinazie blender of staafmixer mengkom of beker aceton, 100 ml glazen pot 100 ml, 2x glazen pot 200 ml, 1x theezeef, groot trechter filtreerpapier, rond, 10 cm. Experimenten chlorofylmolecuul aanslaan aceton/bladgroenextract diaprojector, of sterke gerichte lamp spleetdia prisma glascuvet 5x5x1 cm projectiescherm (spectro)fotometer (met filters rood, geel, groen, blauw) normaal glascuvet 1x1x4. Experimenten het scheiden van bladpigmenten met chromatografie aceton/bladgroenpulp chromatografiepapierstrookjes 1x15cm reageerbuis met dop loopvloeistof petroleumether/aceton 92:8 bekende bladgroenpigmenten (oplossing): chlorofyl, xantofyl, caroteen. Hoofdstuk 10: Experiment: biodiesel 100 ml zonnebloemolie 0.35 g NaOH (vast) 20 ml methanol magneetroerder/verwarmplaatje magneetvlo condensator waterbad van 65 ºC. kolf met twee/drie uitgangen 0.15 M azijnzuur magnesium sulfaat. Opmerkingen over het werken met Coach De werking van Coach m.b.t. de proefopstelling en de proefopstelling zelf staan hier beschreven. Een praktische randvoorwaarde voor deze opdracht is de brede beschikbaarheid van materiaal en de ondersteuning bij de bouw van een fotosynthese onderzoeksopstelling. Wij hebben daarom gekozen voor Coach vanwege de kracht van het programma en de beschikbaarheid van de interface, randapparatuur en ondersteuning. Een goede indruk van de mogelijkheden geeft het onderstaande internetdocument: 19

20 10. Bronnen bij leerlingmateriaal en hoofdstuk 1 1. Opdracht Broeikaseffect a) Beschrijf in het kort wat het broeikaseffect is. Misschien heb je het al behandeld op school, anders kun je het opzoeken in een biologie of ANW boek. Of je zoekt op het internet, bijvoorbeeld: URL1 b) Waarom moet je eigenlijk spreken van het versterkte broeikaseffect en waardoor wordt dit versterkte broeikaseffect veroorzaakt? a) Het glas van een broeikas laat zonlicht (kortgolvige straling) door. De energie wordt opgenomen door de grond en de temperatuur stijgt. De grond straalt dan weer een deel van die energie uit maar dan in de vorm van infrarood straling (langgolvige straling). Deze straling wordt echter door het glas niet doorgelaten. Binnen de kas stijgt daardoor de temperatuur veel meer dan buiten. Ditzelfde proces vindt plaats op aarde door de aanwezigheid van een atmosfeer. De gassen die zich daarin bevinden (met name waterdamp en CO 2 laten wel kortgolvige straling door maar niet de langgolvige straling. b) De atmosfeer van de aarde heeft altijd dit broeikaseffect gehad. Zonder het broeikaseffect zou de aarde niet leefbaar zijn, want dan zou de gemiddelde temperatuur op aarde -18 C zijn. Het versterkte broeikaseffect wordt veroorzaakt door menselijke activiteiten waardoor extra typische broeikasgassen in de atmosfeer terecht komen. Vooral door gebruik van fossiele brandstoffen komt veel extra CO 2 in de atmosfeer. 2. Opdracht kringlopen Bij natuurlijke processen is sprake van een koolstofkringloop. Bij die kringloop verdwijnt en ontstaat CO 2. a) Bij welke processen in de levende natuur ontstaat en verdwijnt CO 2? b) Leg uit waarom men spreekt van een kringloop. c) Geef aan welke rol levende wezens hierbij spelen. d) Teken de koolstofkringloop waarbij CO 2 ontstaat en verdwijnt. Maak daarbij gebruik van de volgende figuur: 20

21 a. Fotosynthese: Hierbij verdwijnt CO 2 en ontstaat zuurstof en glucose. Verbranding: Hierbij ontstaat CO 2. Ademhaling is het proces waarbij zuurstof wordt opgenomen en koolzuurgas wordt uitgestoten. b. Het koolstofatoom wordt bij de fotosynthese in glucose opgenomen en bij de ademhaling komt het weer vrij in de vorm van CO 2. c. Planten zorgen voor de fotosynthese en dieren zorgen voor het omgekeerde proces. d. 3. Opdracht kringlopen, vervolg. Tabel 93G van Binas geeft ook een afbeelding van de koolstofkringloop. De kringloop hier getekend, is veel ingewikkelder dan de kringloop die je bij vraag 2 hebt getekend. a) Leg uit wat bedoeld wordt met aёrobe en anaёrobe dissimilatie. b) Leg uit wat bedoeld wordt met chemotrofe, heterotrofe, autotrofe en fototrofe organismen. c) Leg uit wat bedoeld wordt met assimilatie. d) Ga weer uit van de eenvoudige kringloop en geef in dit schema aan waar assimilatie en dissimilatie een rol spelen. e) Geef ook aan waar heterotrofe en autotrofe organismen een rol spelen. Tabel 93G laat zien dat er naast een organische koolstofkringloop ook sprake is van een anorganische kringloop. f) Leg uit om welke kringloop het hier gaat. g) Ga uit van je tekening uit opdracht 2 en teken de anorganische kringloop in. a. Aёrobe dissimilatie is de verbranding van organisch materiaal met zuurstof; Anaёrobe dissimilatie is de afbraak van organische stoffen zonder zuurstof. b. Heterotroof: levende wezens die voor energie en bouwstoffen organische stoffen (zoals glucose, aminozuren eiwitten) nodig hebben die door andere levende wezens worden geproduceerd. Autotroof: levende wezens die voor de stofwisseling geen organische stoffen nodig hebben maar gebruik maken anorganische stoffen uit de omgeving. Fototroof: autotrofe organismen die gebruik maken van de energie van opvallend licht. 21

22 Chemotroof: autotrofe organismen die gebruik maken van de energie in chemische bindingen. c. Assimilatie: opbouw van organische verbindingen. d. CO 2 ontstaat bij de dissimilatie (ademhaling) en verdwijnt bij de assimilatie (fotosynthese). e. De autotrofe organismen zorgen voor netto productie van organische stoffen. Heterotrofe organismen zorgen voor productie van CO 2 f. CO 2 lost enigszins in water op en vormt daar HCO 3 - en CO 3 -. Met calcium volgt neerslag van CaCO 3 (Calciumcarbonaat). Dit wordt opgenomen in sedimenten. g. 4. Opdracht CO 2- compensatie. a) Wat wordt bedoeld met CO 2- compensatie? b) Beschrijf een aantal manieren waarop je CO 2- compensatie kunt toepassen. a) CO 2- compensatie vindt plaats als bij toename van CO 2 een gelijke hoeveelheid CO 2 wordt onttrokken aan de atmosfeer door aanvullende activiteiten. b) Besparing op gebruik fossiele brandstoffen door zuiniger rijden/planten van een boom/afzien van aankoop energie-intensieve producten. 22

23 en hoofdstuk 2 Nlt2-v109- Docentenhandleiding 5. Fossiele energie per hoofd van de bevolking Ga na hoeveel fossiele energie er gemiddeld wordt gebruikt per hoofd van de bevolking in Nederland (of Europa), in de Verenigde Staten, in China en in een (willekeurig) Afrikaans land. Ga ook na wat voor fossiele energie dit is. Vermeld je bronnen. Dit antwoord hangt af van de bron die gebruikt wordt. Zie bijvoorbeeld: 6. Brandstofverbruik vliegtuig Neem aan dat jij de vlucht naar de VS heen en terug hebt gemaakt in een Boeiing 747. Voor een Boeiing 747 geldt een fuel flow van 10 ton per uur. Daarbij gaat het dan om kerosine. Voor de berekeningen gaan we uit van C 13 H 28. Bereken hoeveel brandstof jij hebt gebruikt voor je reis naar de VS en daarvan afgeleid hoeveel CO 2 -uitstoot dit tot gevolg heeft gehad. Ga eerst na welke gegevens je allemaal nodig hebt om deze vraag te beantwoorden. Zoek deze gegevens op. Vermeld ook welke extra aannames je voor deze berekening moet maken. Vermeld je bronnen. 9000km, kruissnelheid 900 km/uur dus 10 uur vliegen. 10 ton/uur fuel-flow en 10 uur vliegen dus 100 ton nodig voor een enkele vlucht. 500 passagiers gemiddeld. Dus 0,2 ton per passagier nodig= 200 kg. Molecuulgewicht = 184 kg/kmol Dus 1 vlucht per passagier: nodig 1,087 kmol kerosine. C 13 H O 2 geeft 13 CO H 2 O Bij volledige verbranding levert 1,087 mol kerosine dus 1,087*13 =141 kmol CO 2 op. Met een molaire massa van 44 kg/kmol levert dit 0,62 ton CO 2 op. Voor het retourtje geldt dus 1,2 ton uitstoot. 23

24 7. CO 2 -compensatie vliegtuig Zoek op internet welke initiatieven er worden ondernomen om de CO 2 -uitstoot van vliegtuigen te compenseren. Wat wordt er precies gedaan binnen zo n initiatief? Vermeld je bronnen. Googelen op term co2-compensatie levert vele sites op; een voorbeeld: 8. Gebruik fossiele energie Waarvoor wordt de grootste hoeveelheid fossiele energie gebruikt? Is dat in alle delen van de wereld hetzelfde? Vermeld je bronnen. De meeste energie wordt gebruikt door de industrie en elektriciteitscentrales (is soms te vinden onder kop residential ). Ook de transportsector gebruikt veel energie. Voor de VS zijn cijfers te vinden op: 9. Alternatieven Er zijn tal van alternatieven mogelijk voor het gebruik van fossiele brandstoffen. In een brainstormsessie met je groep maak je een lijst met acht alternatieven. Klassikaal worden alle lijstjes met alternatieven geïnventariseerd en er wordt één lijst met alternatieven voor fossiele energie gemaakt. De voor- en nadelen, mogelijkheden en onmogelijkheden van de verschillende alternatieven worden doorgesproken. Mogelijke antwoorden: Zonne-energie warmteopslag in water: zonne-boiler; zonne-energie levert elektriciteit: zonnecellen; zonne-energie opslag in de bodem; windenergie; geothermische energie; golfenergie: energie wordt gehaald uit de energie van golven; getijde-energie: energie wordt gehaald uit het stijgen en dalen door eb en vloed; Blue-Energy: energie wordt verkregen uit de menging van zoet en zout water; bio-massa: energie wordt verkregen uit fotosynthese; chimney: energie wordt verkregen uit temperatuurverschil op verschillende hoogten; kernsplijting: energie wordt verkregen uit het splijten van atoomkernen; kernfusie: energie wordt verregen uit fusie van atoomkernen. 10. Opdracht Plantenwetenschappers hanteren als vuistregel dat in een klimaatgebied als het onze door de fotosynthese ongeveer 60 g glucose per m 2 per dag wordt geproduceerd gedurende een groeiseizoen van 100 dagen. a) Noteer de reactievergelijking van de fotosynthese en ga met behulp hiervan na hoeveel kg CO 2 nodig is voor de productie van 1 kg glucose. Neem aan dat de hoeveelheid gevormde biomassa net zo groot is als de hoeveelheid gevormde glucose b) Bereken met behulp van dit gegeven hoeveel ha bos er nodig is om net zoveel CO 2 op te nemen als overeenkomt met jouw aandeel in de uitstoot van je vliegreis. Gebruik daarbij je antwoord van opdracht

25 In het groeiseizoen produceert een bos in de gematigde gebieden dus 50 g * 100 = 5 kg droge stof/m 2 per jaar. Dus 50 ton per ha per jaar. Alhoewel het niet helemaal overeenkomstig is met de werkelijkheid, is dit voornamelijk in de vorm van glucose-polymeren (en lignine, maar dat verwaarlozen we voor het gemak). Dus bij benadering wordt er 50 ton glucose geproduceerd. Het molair gewicht van glucose (C 6 H 12 O 6 ) is 180 g/mol. Dus 5,55 mol/kg. Dus 50 ton glucose is 278 kmol. Hiervoor zijn 6*278 kmol CO 2 vastgelegd. 1 ha legt dus per jaar bij benadering 1667 kmol CO 2 vast. Met een molair gewicht van 44g/mol =44 kmol/kg wordt er dus 73 ton CO 2 vastgelegd. Omdat een passagier 1,2 ton uitstoot veroorzaakt is er dus uiteindelijk voor de vlucht 1,2/73*10000 = 164 m 2 oppervlak groeiend bos nodig. 11. Fotosynthese Ga na welke klimaatgebieden op aarde de grootse bijdrage leveren aan de vastlegging van koolstof m.b.v. de fotosynthese. In het (sub)tropisch regenwoudklimaat wordt het meeste koolstof vastgelegd d.m.v. fotosynthese. 12. CO 2 -fixatiesnelheid Bereken hoeveel groter de CO 2 -fixatiesnelheid is in een tropisch regenwoud vergeleken met die in Nederland (zie opdracht 6). 2 x zoveel als in Nederland (1200 kg/jaar per ha). 13. Houtopslag In deze opdracht wordt eens nagegaan hoe groot een opslagruimte moet zijn om een hoeveelheid hout permanent op te slaan die compenseert voor jouw aandeel van de CO 2 - uitstoot van de vliegreis. a) Bereken eerst hoeveel biomassa moet worden geproduceerd om 1 kg CO 2 vast te leggen. Gebruik daarbij de reactievergelijking van de fotosynthese en neem aan dat de hoeveelheid gevormde biomassa overeenkomt met de massa glucose die bij de fotosynthese is geproduceerd. 25

26 b) Bereken vervolgens het volume van een vergelijkbare hoeveelheid hout. Kies daarbij voor een bekende houtsoort. a) Reactievergelijking Glucose: 6 CO H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Volgens de reactievergelijking zijn er 6 moleculen CO2 nodig om 1 molecuul glucose te maken. 1 kg glucose bevat 1000/ M glucose mol = 1000/180 mol = 5,55 mol. Er is dus 6x5,55 = 33, 33 mol CO2 nodig om 1 kg glucose (biomassa) te maken. 1 kg CO 2 vastleggen komt neer op 0,682 kg glucose. Dus 1200 kg is 818 kg hout (bij benadering) b) Met een dichtheid van 0,5 kg/liter is dus 1,6 m 3 ruimte nodig. 14. CO 2 -compensatie bos In het bos vinden verteringsprocessen plaats. Daarbij wordt de CO 2 weer teruggegeven aan de atmosfeer. Maar doorgaans wordt hout dat in een bos wordt gevormd wel gebruikt. Bijvoorbeeld om er meubels mee te maken. Leg uit aan welke voorwaarden voldaan moet zijn opdat bij een dergelijk gebruik van een bos sprake is van echte CO 2 -compensatie. Als de meubels zijn afgeschreven, moet het hout gebruikt worden als energievoorziening en daarmee inzet van fossiele brandstoffen overbodig maken. Ook kan het afvalhout worden opgeslagen om te voorzien in het energiegebruik van latere generaties. Extra is een heel aardige site overigens die we kunnen gebruiken als verwijzing; met een handige klimaatcalculator. Hoeveel bomen moeten voor mij worden geplant om mijn uitstoot te compenseren? Het aantal aan te planten bomen is snel te berekenen met de klimaatcalculator die te vinden is via een link aan de rechterkant. Omdat Trees for All ook autoverkeer compenseert, gebruiken we een gemiddelde auto als voorbeeld. Stel u heeft een auto die kilometer per jaar op benzine rijdt. Ieder jaar moet dan 3 ton CO 2 worden gecompenseerd. Gemiddeld bezit iemand 40 jaar een auto en zal dan in totaal 120 ton CO 2 produceren. Bij een opnamecapaciteit van 6 ton per hectare per jaar voor Nederlands bos, is een halve hectare (5.000 m 2 ) groeiend Europees bos nodig om de uitstoot van deze auto's te compenseren (2/5 voetbalveld). Een auto die diesel gebruikt heeft 0,4 hectare bos nodig, een LPGauto ruim 0,35. In een nieuw bos in Nederland planten we op voormalige landbouwgrond gemiddeld 5500 bomen per hectare, in bijvoorbeeld Oeganda in gedegradeerd tropisch bos zijn dat zo'n 500 bomen per hectare. Hoeveel ton CO 2 neemt een boom op? Deze vraag is niet eenvoudig te beantwoorden. Er zijn vele verschillende boomsoorten die verschillend reageren afhankelijk van hun groeiplaats. Ook de hoeveelheid water, voeding, zon, en (zee)wind zijn bepalend. Trees for All rekent met bosecosystemen, want behalve bomen nemen ook de daaronder groeiende struiken CO 2 op en leggen een gedeelte hiervan vast totdat het ecosysteem volgroeid en in evenwicht is. Ook hier is sprake van een grote variatie. Als vuistregel hanteert Trees for All dat een volwassen Europees loofbos zo'n 600 ton CO 2 per hectare heeft vastgelegd (gemiddeld 6 ton per hectare per jaar). Voor tropisch regenwoud kan dit oplopen tot meer dan 1200 ton. Wat is de invloed van bossen op het broeikaseffect? Zonder groeiende bossen zou de CO 2 -concentratie in de atmosfeer nog veel sneller stijgen. Berekend is dat groeiende bossen jaarlijks ongeveer 900 miljoen ton C (3,3 miljard ton CO 2 ) 26

27 opnemen. Zonder deze groeiende bossen zou de netto-uitstoot van CO 2 geen 11,7 miljard ton CO 2 maar 15 miljard ton CO 2 bedragen. Dit is bijna 30% extra. Ontbossing draagt dan ook voor 25% bij aan de toename van de CO 2 -concentratie in de atmosfeer. Is er wel voldoende ruimte voor bosaanplant? Er ligt wereldwijd nog ruim 2 miljard hectare grond braak dat geschikt is voor de aanplant van bos. Nieuw bos kan hier ongeveer 75 tot 125 gigaton CO 2 opnemen. Dat is net zoveel als de uitstoot die we wereldwijd de komende 15 tot 25 jaar gaan doen. Die 2 miljard hectare kan uiteraard niet in een jaar aangeplant worden. Wachten echter lost zeker niets op. Als de bossen volgroeid zouden zijn, zou de aarde weer net zo groen zijn als 200 jaar geleden. Ondertussen hebben we tijd gehad om de duurzame energiebronnen zo te ontwikkelen dat we die volop kunnen inzetten. 15. Opdracht Algen kunnen olie produceren. Deze olie kan gebruikt worden om diesel of kerosine te produceren. De algen worden geproduceerd op een algenboerderij. Deze boerderij moet een zo hoog mogelijke algenproductie hebben tegen zo laag mogelijke energetische kosten. a) Leg uit waarom dit laatste nodig is. b) Leg uit hoe je algen kunt laten groeien en met welke factoren je rekening moet houden als je algen wilt produceren. c) Op welke manier zou je algen moeten oogsten? d) Ontwerp een algenboerderij die aan de bovengenoemde eis voldoet. e) Geef aan wat voor- en nadelen zijn van de productiefaciliteit in figuur 4 in vergelijking met een algenvijver. a. Besparing van energie en kosten. b. Kweekvat met alg belichten, lichtintensiteit, CO2-hoeveelheid, nutriënten, temperatuur etc. c. Filteren, zeven etc. d. en kunnen variëren van open vijversystemen tot gesloten continureactoren. e. Aanlegkosten en onderhoudskosten zijn hoger, daarentegen zijn de opbrengsten veel hoger want het proces verloopt onder veel meer gecontroleerde omstandigheden. 16. Opdracht Een algenvijver raakt door de groei van de alg steeds voller. Aanvankelijk worden de algen niet geremd in hun groei omdat er voldoende nutriёnten en licht aanwezig zijn. Maar gaandeweg raakt de vijver voller. Het groeiseizoen is nog lang niet voorbij wanneer de algen nauwelijks meer toenemen. Maar ook dan zijn er op grotere diepte nauwelijks algen te vinden. a) Leg uit waarom de groei zo vroeg in het seizoen tot stilstand komt. b) Leg uit waarom de algen niet willen groeien op grotere diepte. c) Schets in een grafiek hoe de hoeveelheid biomassa in de loop van de tijd verandert. d) Leg aan de hand van de grafiek uit wat het beste moment is om te oogsten. a. Algen krijgen niet genoeg licht en voeding ten gevolge van overvolle reactor. b. Te weinig lichtintensiteit. c. Hier moet een groeicurve of S-curve geschetst worden. Het veld is vol bij het bereiken van de bovenste asymptoot. d. Oogstmoment is het moment waarop de helling maximaal. Hier is de toename en dus de te onttrekken hoeveelheid per tijdseenheid maximaal. 27

28 en hoofdstuk Opgave Nlt2-v109- Docentenhandleiding Een badkuip is gevuld met water. De stop wordt losgehaald en het water begint weg te lopen. Dit is de uitgaande stroom: neem aan dat er 7 liter per minuut wegloopt. Tegelijkertijd wordt de kraan aangezet. Deze levert 5 liter per minuut. Dit is de uitgaande stroom. Er is nu geen evenwicht: het niveau van het water in de kuip gaat veranderen. a) Leg uit wat er met het niveau gebeurt. Na enige tijd blijkt het niveau van het waterpeil niet meer te veranderen. Er is nu sprake van een dynamisch evenwicht. b) Waarin onderscheidt deze situatie zich van een statisch evenwicht? c) Leg uit hoe groot de ingaande stroom en de uitgaande stroom nu is. d) Hoe komt het dat dit dynamische evenwicht zich heeft ingesteld? a. Het niveau gaat dalen want de uitloop is groter dan de inloop. b. Bij statisch evenwicht is er geen toevoer en afvoer. Bij een dynamisch evenwicht wel. c. 5 liter/minuut d. Aanvankelijk daalt het waterniveau maar daarmee ook de uitloopsnelheid want een bad loopt sneller leeg als er meer inzit. Als de uitloopsnelheid gelijk is aan de inloopsnelheid daalt het niveau niet meer en de uitloopsnelheid is dan ook constant. 18. Opgave Bekijk de continu-reactor in figuur 7. Van bovenaf druppelt kweekmedium in de reactor. De vloeistof die uit de fles loopt vanwege de overloopfunctie bevat algen. Er is sprake van dynamisch evenwicht. Het aantal koolstofatomen in de kweekreactor verandert dan ook niet. a) Leg uit hoe dit mogelijk is. Men vermindert de hoeveelheid licht. b) Leg uit wat dit voor gevolg heeft voor de uitgaande stroom koolstofatomen. c) Leg uit hoe uiteindelijk weer dynamisch evenwicht kan ontstaan. d) Leg uit hoe een nieuw dynamisch evenwicht zich weer zal instellen. a. Via de natriumbicarbonaat komt evenveel C de opstelling in als er via de algen uitgaat. b. De productie van algen stagneert. De uitgaande stroom koolstofatomen neemt dus af. c. Via de overloopfunctie gaat er evenveel algenoplossing uit de fles als er medium inkomt. Maar als er minder algen groeien, blijft een deel van het medium ongebruikt. Bij de uitloop zit dus veel ongebruikt natriumbicarbonaat. Vervolgens wordt de hoeveelheid natriumbicarbonaat in het kweekmedium verminderd. Hierdoor wordt het evenwicht verstoord. d. Zolang er medium ongebruikt blijft zal er niets veranderen. Maar als de toevoer nog lager wordt daalt de algenhoeveelheid verder vanwege ontoereikende voeding en daarmee de uitstroom van koolstofatomen. 28

29 19. Opgave In deze opdracht ga je met Excel groeimodellen maken. a) Maak m.b.v. Excel een exponentieel groeimodel. Druk de tijd uit in uur. Kies 100 voor de beginhoeveelheid alg. Ga met behulp van trial en error na wat de groeifactor moet zijn om een verdubbelingstijd van 4,0 uur te krijgen. b) Pas het gevonden model aan en maak er een logistisch model van. Neem voor het maximum E = Bepaal met behulp van de uitkomsten op welk moment de algenhoeveelheid het snelste toeneemt. a. De groeifactor moet 0,207 bedragen (zie grafiek) b. Grafisch is dat rond de 50 uur. In de tabel blijkt de grootste productiesnelheid bij 48 uur te liggen. 29

30 en hoofdstuk Opgaven warmte en temperatuur Nlt2-v109- Docentenhandleiding a) Wat bevat meer warmte: een kopje water van 40 o C of een gloeiende naald van C? Hoe zou je dat kunnen controleren? b) Geef nog een voorbeeld waaruit het verschil blijkt tussen temperatuur en warmte. a. Het kopje water. Pak twee kopjes gevuld met evenveel koud water. Gooi in het ene kopje het warme water en in het andere kopje de gloeiende naald. In het eerste geval stijgt de temperatuur meer. b. Een ketel water op het vuur. Vanaf een bepaald moment leidt warmtetoevoer niet meer tot temperatuurstijging. 21. ijzer en piepschuim Een stuk ijzer en een stuk piepschuim liggen al uren naast elkaar op de lessenaar in het lokaal. a) Hebben de twee objecten dezelfde temperatuur? b) Voelen de beide objecten even koud aan? c) Geef een verklaring voor beide verschijnselen. Bedenk daarbij dat jouw lichaam zelf warmte produceert. a. Ja, want de beide voorwerpen liggen al gedurende langere tijd in dezelfde ruimte. b. Nee, piepschuim voelt warm aan en het ijzer voelt koud aan. c. De objecten krijgen dezelfde temperatuur. Toch voelt het piepschuim warmer aan. Dit komt omdat je lichaam warmte produceert die bij het ijzer snel wordt afgevoerd maar bij het piepschuim niet. Door deze warmtetoevoer loopt de temperatuur van het piepschuim snel op. 22. een vloeistofthermometer Een buisje met een vloeistofreservoir is wel een geschikt instrument om de temperatuur te meten. a) Hoe is het mogelijk dat met behulp van een dergelijke thermometer een uitspraak is te doen over de gemiddelde bewegingsenergie van de moleculen in de omgeving? b) Geef een zo volledig mogelijke beschrijving van de werking van een dergelijke thermometer. Door toenemende temperatuur gaan de moleculen sneller bewegen. Moleculen hebben meer ruimte nodig om te bewegen, hierdoor zet de vloeistof uit en de uitzetting van deze vloeistofuitzetting kan gebruikt worden voor de meting van de temperatuur van een vloeistof. 23. Kelvin en Celsius a) Waarin verschilt de schaal van Kelvin van de schaal van Celsius? b) Het absolute nulpunt is 0 kelvin. Waardoor wordt dit in de praktijk nooit bereikt? a. Het verschil zit hem in het begin. Kelvin begint bij het absolute nulpunt te meten, Celsius bij het vriespunt van water. b. Om het absolute nulpunt te bereiken moeten alle moleculen/atomen in de buurt van dit absolute nulpunt ook stilstaan, anders zullen ze altijd botsen met de stilstaande moleculen en dan staan die dus niet meer stil. Anders gezegd, om het absolute nulpunt te bereiken moet het hele universum zelf ook in het absolute nulpunt verkeren. 30

31 Experiment De antwoorden hangen af van het vermogen van de dompelaar. Gebruik de formule Q m c T waarin: Q = de warmte in joule (J) m= de massa in kilogram (kg) c= de soortelijke warmte in Joule per kilogram per kelvin (J kg -1 K -1 ) ΔT = de temperatuurverandering in kelvin (K). Beter isoleren. 24. Opgave warmteopslag: In figuur 11 is te zien hoe overtollige warmte in de zomer wordt opgeslagen in een zogenaamde aequifer om het in de winter te kunnen gebruiken om de kas of het huis te verwarmen. In onderstaand rekenvoorbeeld wordt uitgegaan van een opslagvat, gevuld met 128 m3 water (een klein zwembad!). Hoeveel warmte zou je hierin kunnen opslaan? Laten we er van uitgaan dat de temperatuur van het water stijgt van 10 C naar 45 C. a) Zoek in Binas de soortelijke warmte van water op. b) Reken uit hoeveel warmte er nodig is om het water in het opslagvat te verwarmen van 10 C naar 45 C Stel dat je eenzelfde hoeveelheid water elektrisch zou moeten verwarmen. 1 kwh = 3,6 MJ en kost 0,10. c) Bereken hoeveel het minimaal kost om dit water zo te verwarmen. d) Leg uit waarom dit in de praktijk meer geld zou kosten. Het opslagvat in de vorige opgave wordt ook verwarmd. De warmtecapaciteit van het vat bedraagt 32 MJ/K. e) Bereken de warmte die het vat opneemt. f) Is dit verlies? a. c water =4,18 kj/kgk b. Q = mcδt=(128*10 3 )*(4,18)*35= 18,7 GJ c /3,6=5200 kwh kost 520,- d. Er is geen rekening gehouden met de opwarming van het vat zelf en er is geen rekening gehouden met warmteverliezen. e. 32*35=1120 MJ f. In feite niet want als de warmte in de winter aan het vat wordt onttrokken, komt deze weer beschikbaar voor nuttige aanwending. 25. Experiment: Het zal blijken dat het zwarte potje het snelste afkoelt. Het spiegelende potje het langzaamst. 31

32 26. Warmtetransport bij een thermosfles: Nlt2-v109- Docentenhandleiding Een thermosfles dient voor het op temperatuur houden van een koude dan wel een warme vloeistof. Zo n fles heeft een dubbele glazen wand, de ruimte ertussen is vacuüm gezogen en de binnenwand van de fles is voorzien van een spiegelend laagje. De buitenkant is gemaakt van stevig materiaal om te voorkomen dat de fles gemakkelijk breekt. a) Waarom is de fles van glas gemaakt? b) Waartoe dient het vacuüm tussen beide wanden? c) Waarom is het glas spiegelend gemaakt? Een klasgenoot heeft een thermosfles met melk meegenomen naar school. Tijdens de lunch pakt deze klasgenoot de thermosfles en zegt dan: Dit is een prima thermosfles, na een paar uur voelt de fles nog lekker koud aan. d) Ben je het eens met je klasgenoot? Licht je antwoord toe. a. Glas is een slechte warmtegeleider. b. De ruimte tussen de glaswanden geleidt dan niet. c. Daardoor wordt warmtetransport door straling geminimaliseerd. d. De buitenkant van de thermosfles mag niet koud aanvoelen want dan vindt blijkbaar warmtetransport naar binnen toe plaats. 27. Opgaven warmtetransport door een wand. Ga na dat W m-1 K-1 de eenheid van de geleidingscoëfficiënt is. Bekijk de formule: A TV P d In eenheden: [W] =[.]*[m 2 ]*[K]*[m -1 ] dus de eenheid van λ is W/mK 28. afkoeling van een koperbuis met water In een koperbuis wordt heet water gedaan van 60 C. De buis bevindt zich in een ruimte met een temperatuur van 20 C. De koperbuis is 1,0 m lang en heeft een diameter van 1,2 cm. De dikte van het koper is 1,0 mm. We willen nu uitrekenen hoeveel warmte per seconde door het koper weglekt. Om dit voor elkaar te krijgen knippen we in gedachten de buis over de lengte open, slaan hem plat en nemen aan dat de aldus verkregen plaat een ruimte van 20 C scheidt van een ruimte van 60 C. Formule 3 kan dan gebruikt worden. a) Reken nu de grootte van de warmtestroom uit in J/s. b) Koelt de buis af in seconden, in minuten, in uren of in dagen? Leg uit. a. Gebruik de formule P= λa*tv/d. Hierin is: λ = 370 W/mK TV=60-20=40 K A=0,011*1,0 = 0,011 m 2 d=0,001m Dus P = 370*0,011*40/0,001= 163 kj/s = 163 kw. Als het temperatuurverschil met de omgeving nog maar 1 0 C zou bedragen was die warmtestroom nog altijd zo n 4 kw geweest. b. Het water in de buis zal moeten afstaan: mcδt=0,1 *4,18*40 = 17 kj. Met een warmtestroom die ver boven de 17 kj per seconde zit zolang de buis nog heet is zou dit 32