Uitwerkingen opgaven hoofdstuk Warmte en temperatuur; het molecuulmodel

Transcriptie

1 Uitwerkingen opgaven hoofdstuk.1 Warmte en temperatuur; het molecuulmodel Opgave 1 Opgave 2 a Onjuist. De temperatuur in de ruimte is een maat voor de snelheid van de moleculen. s Nachts is de temperatuur lager en de snelheid van de moleculen is dan ook kleiner. b Juist. De temperatuur van het kwik in de thermometer is gedaald. Dat kan alleen als er warmte is afgestaan. c Onjuist. Het volume van de lucht is gelijk aan de inhoud van de kamer. Die inhoud verandert niet. Het aantal moleculen in de kamer verandert ook niet, want de kamer is afgesloten. Daaruit volgt dat de gemiddelde afstand tussen de moleculen gelijk blijft. d Onjuist. Natuurkundigen zeggen dat de lucht in de kamer warmte heeft afgestaan. e Juist. Het kwik in de thermometer is gedaald; dat betekent dat het volume van het kwik is afgenomen. Hetzelfde aantal moleculen zit dan dichterbij elkaar. Daaruit volgt dat de afstand tussen de kwikmoleculen kleiner is geworden. a De moleculen in een gas bewegen snel en blijven niet bij elkaar. r is veel ruimte tussen de moleculen van de lucht. De deodorantmoleculen zullen dan ook door de gehele ruimte gaan bewegen. Na een korte tijdsduur zijn moleculen van het parfum bij je neus gekomen. b De parfum gaat van vloeibare fase over in de gasvormige fase. Daarvoor is energie nodig. De energie wordt onttrokken aan de thermometer, die dus warmte afstaat. Bij het afstaan van warmte daalt de temperatuur van de thermometer. Opgave a De moleculen worden dichter op elkaar geduwd. De gemiddelde afstand tussen de moleculen wordt kleiner. b De moleculen oefenen ook een kracht uit op de zuiger van de pomp. Doordat de ruimte waarin de moleculen zich bevinden kleiner wordt, neemt het aantal botsingen van moleculen per seconde tegen de zuiger toe. De gezamenlijke kracht van de moleculen tegen de zuiger neemt dan toe. Zodra deze kracht van de moleculen groter wordt dan je spierkracht kun je de pomp niet meer verder duwen. De pomp blijft steken op het punt waar de kracht van de moleculen op de zuiger even groot is als jouw kracht. Opgave 4 a Zie figuur.1. Figuur.1 UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 1 van 1

2 Als in de zomer de temperatuur stijgt, zetten stoffen uit. Het brugdek PS in figuur.1 zal langer worden. Door de spleet A tussen het brugdek en de rechterkant is dat mogelijk. Als de spleet ontbreekt, zal het brugdek bol gaan staan en is er kans dat de brug kapotgaat. b De spleet is tijdens een hittegolf smaller; het brugdek is uitgezet en neemt meer ruimte in. c De bovenkant van de pijler zou bij het uitzetten met het brugdek naar rechts gaan bewegen. De pijler kan dan kapot gaan. d Ieder gedeelte van het brugdek zet een klein beetje uit. De linkerkant blijft daarbij op z n plaats. Bij het uitzetten wordt het brugdek PS naar rechts verplaatst. Bij de linkerpijler is een klein gedeelte PQ van het brugdek uitgezet, gerekend vanaf de linkerkant. Het brugdek is dan maar een klein beetje verplaatst. Bij B is een groter gedeelte PR van het brugdek uitgezet. De rol bij B is dan ook verder naar rechts verplaatst. De rol bij B moet over een grotere afstand kunnen rollen en begint daarom verder naar links. Opgave 5 a De massa van een stof hangt af van het aantal moleculen en de massa van één molecuul. b Het volume wordt groter. c De massa blijft gelijk, want de massa van één molecuul verandert niet en het aantal moleculen verandert niet. d Bij het verwarmen wordt het volume groter, maar blijft de massa gelijk. De gelijke massa wordt dan gedeeld door een groter volume. De dichtheid wordt kleiner. Je kunt ook zeggen dat door het uitzetten de moleculen minder dicht op elkaar zitten..2 Warmtetransport Opgave Opgave Opgave 8 a Tussen de veertjes zit veel lucht. Door de veertjes kan de lucht slecht bewegen, waardoor er weinig warmtestroming optreedt. Lucht en de donsveertjes zijn slechte warmtegeleiders. r is dan weinig warmtetransport via geleiding en stroming vanuit je lichaam naar de omgeving. b Door de bewegingen van de gebruiker verplaatsen de veertjes zich naar plaatsen waar weinig beweging is. Daardoor zijn er op den duur op bepaalde plaatsen geen donsveertjes meer. Op zo n plaats kan dan gemakkelijk warmte van je lichaam worden weggevoerd via stroming en geleiding. Door de compartimenten blijven de veertjes over het gehele dekbed verspreid, zodat de isolatie overal intact blijft. a Als iets koud aanvoelt, gaat er warmte van je lichaam weg. De tegels voelen kouder aan dan het hout. Dat betekent dat bij de tegels meer warmte van je lichaam weg gaat. De tegels geleiden de warmte beter dan het hout. b De warmte moet vanaf de verwarmingsbuizen door de vloerbedekking naar de lucht in de winkel gebracht worden. De vloerbedekking moet een goede warmtegeleider zijn. Parket (gemaakt van hout of kunststof) geleidt warmte slecht. Je kunt dus beter tegels gebruiken. a Beide lijnen beginnen op dezelfde plaats in het diagram. b Het temperatuurverschil met de omgeving is aan het begin groot, waardoor er per seconde veel warmte aan de omgeving wordt afgestaan. Later is het UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 2 van 1

3 temperatuurverschil kleiner, zodat er minder warmte per seconde wordt afgestaan aan de omgeving. c De grootste warmteafgifte vindt plaats aan het vloeistofoppervlak. Het hoge smalle kopje zal daarom minder warmte per seconde aan de lucht afstaan dan het brede kopje. De temperatuur van dit kopje zal minder snel dalen. Lijn P hoort bij het hoge smalle kopje. d Als de temperatuur van de koffie gelijk is aan de temperatuur van de omgeving, wordt er geen warmte meer afgestaan. Aan het eind is de temperatuur van beide kopjes koffie gelijk aan de temperatuur van de omgeving, en dus is de eindtemperatuur van beide kopjes gelijk. Opgave 9 a Lucht is een slechte warmtegeleider. De lucht bevindt zich in een smalle afgesloten ruimte en wordt door de glasplaten op zijn plaats gehouden. Daardoor treedt er geen warmtestroming op. Ook is dubbel glas dikker dan enkel glas, zodat er ook minder warmtegeleiding optreedt door het glas. b Zie de doorgetrokken lijn in figuur.2. Figuur.2 c Zie de onderbroken lijn in figuur.2. Omdat er minder warmte verloren gaat bij dubbel glas, zal de temperatuur in de kamer sneller stijgen. De lijn in het diagram loopt aan het begin steiler. De eindtemperatuur zal sneller bereikt worden. De lijn in het diagram loopt eerder horizontaal.. Warmte opnemen en afstaan Opgave 10 Qkwik ckwik mkwik Tkwik 1 1 ckwik 0,14 10 Jkg K ( BINAS) mkwik 8,2 g 8,2 10 kg Tkwik 5 C 5 K Q kwik 0, , J Opgave 11 a Zie figuur.. De soortelijke warmte geeft aan hoeveel warmte Q er nodig is voor een temperatuurstijging T van één graad Celsius van één kilogram stof. De massa m van beide vloeistoffen is gelijk. Bij eenzelfde temperatuurstijging T is er bij vloeistof B een grotere hoeveelheid warmte Q nodig. r is dan ook meer warmte nodig om een temperatuursstijging van één graad te bereiken. Vloeistof B heeft de grootste soortelijke warmte. UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK van 1

4 Figuur. b Zie figuur.. Voor vloeistof A: QA QA ca ma ta ca m t Q m A 15 kj J A ta 0 C A A 200 g 0,200 kg ca 2,5 10 Jkg K 0,200 0 Voor vloeistof B: QB QB cb mb tb cb mb t B QB 15 kj J m 200 g 0,200 kg 1 1 B tb 18 C cb 4, 2 10 Jkg K 0, Opgave 12 a De massa van de kan berekend worden uit de dichtheid en het volume van de. m ρ V m 1, , ,20 kg b Q totaal Q thermosfles + Q Qthermosfles Cthermosfles Tthermosfles C T thermosfles Q thermosfles thermosfles 80 J K 1 1,0 C 80 1,0 80 J UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 4 van 1

5 Q c m T Q c, g 0,20 kg m 1,0 C J kg T 1 K 1 ( Binas),9 10 0,20 1,0 1,01 10 Qtotaal , ,1 10 J c In vraag b is de warmte berekend die het voorwerp (thermosfles met ) opneemt bij een temperatuurstijging van één graad Celsius. Dit is de definitie van warmtecapaciteit. d Q c m T 1 1 c,9 10 Jkg K ( BINAS) m 20 g 0,20 kg T ( 10) 2 C Opgave 1 Zie figuur.4. Q,9 10 0,20 2 2, 10 4 J J Figuur.4 Het verwarmingselement heeft een elektrisch vermogen van 5 W er wordt door het verwarmingselement 5 J per seconde toegevoerd aan de joulemeter en het water. Voor een temperatuursstijging van de joulemeter en het water t van graden heeft de joulemeter 10 min 00 s nodig de toegevoerde elektrische energie: Q elektrisch J Door het water wordt opgenomen: Qwater mwater twater 1 1 4,18 10 Jkg K ( BINAS) mwater 00 g 0,00 kg twater C Q water 4, , J UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 5 van 1

6 Door de joulemeter wordt opgenomen: Q joulemeter Q elektrisch Q water J Qjoulemeter Cjoulemeter tjoulemeter Qjoulemeter Cjoulemeter t joulemeter Qjoulemeter 18 J tjoulemeter C 18 2 Cjoulemeter 1,1 10 J/K Opmerking In de berekening van C joulemeter worden twee getallen die niet erg veel van elkaar verschillen (ongeveer 10%) van elkaar afgetrokken. Hierdoor hangt de uitkomst van de berekening sterk af van de aflezing in het diagram Opgave 14 a De koperkrullen staan warmte af. b De joulemeter en het water nemen warmte op. c De door het water opgenomen warmte (Q water ) en de door de joulemeter opgenomen warmte (Q joulemeter ) is gelijk aan de door de koperkrullen afgestane warmte (Q koper ). Qwater mwater Twater 1 1 4,18 10 Jkg K ( BINAS) mwater 150 g 0,150 kg twater (24, 18,), 4 C Q water 4, ,150,4 4012,8 J Qjoulemeter Cjoulemeter Tjoulemeter 1 Cjoulemeter 125 JK Tjoulemeter, 4 C Qjoulemeter 125,4 800 J Qwater + Qjoulemeter 4012, ,8 J Q 4812,8 J koper Qkoper ckoper mkoper Tkoper Qkoper ckoper mkoper T koper Qkoper 4812,8 J m 15 g 0,15 kg koper Tkoper (100 24, ) 5, C 4812, ckoper,9 10 Jkg K 0,15 5, UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK van 1

7 Opgave 15 a De door het warme water afgestane warmte (Q warme water ) is gelijk aan de door het bad opgenomen warmte (Q bad ). Qwarme water mwarme water twarme water 1 1 4,18 10 Jkg K ( BINAS) mwarme water ρwater Vwater 0, ,88 kg twater (2,5 8,0) 4,5 C Q bad 1,12 10 J Q warme water 4, ,88 4,5 1,12 10 J Qbad Qbad Cbad tbad Cbad t bad Qbad 1,12 10 J tbad (8,0 21,0) 4,0 C 1, Cbad 2, 4 10 J/K 4 b De door het warme water en het warme bad afgestane warmte (Q warme water en Q bad ), is gelijk aan de door het koude water opgenomen warmte (Q koude water ). Qwarme water mwarme water twarme water 1 1 4,18 10 Jkg K ( BINAS) mwarme water 59,88 kg twater (8,0 40,0) 28,0 C Q warme water 4, ,88 28,0, J Qbad Cbad tbad 4 Cbad 2, 4 10 J/K tbad (8,0 40,0) 28,0 C Q bad 2, ,0 0,2 10 J Q warme water + Q bad, ,2 10,80 10 J Q koude water,80 10 J Qkoude water mkoude water tkoude water Q koude water mkoude water tkoude water Qkoude water, J 1 1 4,18 10 Jkg K ( BINAS) tkoude water (40, 0 15,5) 24,5 C,80 10 mkoude water 4,99 kg 4, ,5 m ρ V koude water water koude water m 4,99 V koude water koude water ρwater 0, ,1 10 m 5,1 liter UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK van 1

8 .4 Rendement en duurzame energie Opgave 1 a De verbrandingswarmte van gasolie is 10 9 J/m. b De bussen rijden een afstand van 100 km. Bus A kan 5,0 km rijden op 1,0 liter gasolie. Voor een afstand van 100 km heeft bus A dus 20 liter gasolie nodig. De verbrande gasolie levert aan chemische energie: in , J nuttig c η 100% in,a η 20% 8 8 nuttig in,a,2 10 1,44 10 J 100% 100% d Bij bus B, met vliegwiel, daalt het brandstofverbruik van de bus met 5,0 %. in,b 0,95 in,a 0,95,2 10 8, J e De bussen hebben dezelfde vorm en rijden onder dezelfde omstandigheden. Ze ondervinden dan dezelfde wrijvingskracht. De snelheid is constant, dus is de motorkracht steeds gelijk aan de wrijvingskracht. De bussen rijden dezelfde afstand. Aangezien W motor F motor s verricht de motorkracht in beide gevallen dezelfde arbeid. f erste manier nuttig ηb 100% 8 in,b 1, ηb 100% 21% 8 nuttig 1, J, in,b,8 10 J Tweede manier nuttig ηb 100% in,b nuttig ηa 100% in,a ηa 20% in,b 0,95 in,a nuttig 1 nuttig 1 ηb 100% 100% 20% 21% 0,95 0,95 0,95 in,a in,a Opgave 1 a De energie in kwh kun je uitrekenen door het vermogen in kw te zetten en de tijd in uren. Het totale vermogen bedraagt 8 0 W 480 W 0,48 kw. De lampen branden, uur in één jaar. P t 0, , kwh 5, 10 2 kwh b erste manier Acht gloeilampen van 0 W vervangen door acht spaarlampen van 1 W levert een vermogensbesparing op van 8 (0 1) 8 4 W 0, kw. De bespaarde energie is dan bespaard 0, ,2 kwh. De hoeveelheid gespaard geld is dan 411, 0,1 0. UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 8 van 1

9 c Tweede manier De gloeilampen kosten aan energie per jaar: 525, 0,1 89,5. De spaarlampen leveren een energie van P t 8 0, ,9 kwh. De spaarlampen kosten aan energie per jaar: 11,9 0,1 19,. De hoeveelheid gespaard geld is dan: 89,5 19, 0. η besparing centrale in besparing in η centrale 9 besparing 2 10 kwh η centrale 100% 100% 55% in,bespaard 100%, 10 kwh 55% De stookwaarde van Gronings aardgas: 8,9 kwhm het volume aan bespaard Gronings aardgas is 9, 10 8 Vbespaard 4 10 m 8,9 Opgave 18 Opgave 19 a De hoeveelheid warmte die de geiser per minuut afstaat aan het water: Qwater mwater twater 1 1 4,18 10 Jkg K ( BINAS) mwater ρwater Vwater 0,998 10,5 10,485 kg twater (85 15) 0 C Q water 4,18 10, , J 2,2 10 J Qwater Qwater ηgasgeiser 100% in 100% in η gasgeiser b Qwater 2, J ηgasgeiser 1% 2, in 100%, J per minuut 1% De stookwaarde van Gronings aardgas: 2 10 Jm het benodigde volume aan Gronings aardgas V, ,11 m 2 10 gas a De hoeveelheid warmte die de boiler afstaat aan het water: Qwater mwater twater 1 1 4,18 10 Jkg K ( BINAS) mwater ρwater Vwater 0, ,84 kg twater (80 15) 5 C Q water 4, ,84 5 2,19 10 J UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 9 van 1

10 η Q Q 100% 100% water water boiler in in η boiler water 2,19 10 J Q ηboiler 8% 2,19 10 in 100% 2,81 10 J 8% De stookwaarde van Gronings aardgas: 2 10 Jm 2,81 10 het benodigde volume aan Gronings aardgas Vgas 0,8 m 2 10 b Het water stroomt van Q naar P. Warm water heeft een kleinere dichtheid dan koud water. Het warme water zal daardoor naar boven bewegen. c De ingestraalde energie door de zon: in Pzon t Pzon 00 W 00 J/s 4 t 5,5 uur 5,5 00 1,98 10 s in 00 1, ,8 10 J r wordt vrijwel geen warmte aan de omgeving afgestaan in Q water Qwater Qwater mwater twater twater m water Qwater 1,8 10 J 1 1 4,18 10 Jkg K ( BINAS) mwater ρwater Vwater 0, ,84 kg 1,8 10 twater 41,5 C 4, ,84 de eindtemperatuur van het water: t eind t begin + t ,5 5 C d Het door de zon verwarmde water levert een besparing op van: Q bespaard 1,8 10 J Qbespaard Qbespaard ηboiler 100% bespaard aardgas 100% bespaard aardgas ηboiler Q η bespaard boiler 8% 1,8 10 J 1,8 10 bespaard aardgas 100% 1, 10 J 8% De stookwaarde van Gronings aardgas: 2 10 Jm het bespaarde volume aan Gronings aardgas V 1, 10 0,5 m 2 10 bespaard UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 10 van 1

11 .5 nergiehuishouding van het menselijk lichaam Opgave 20 Opgave 21 Opgave 22 a De energiebehoefte van een vrouw per dag: vrouw 2000 kcal 1 cal 4,184 J (BINAS) vrouw ,184 8,0 10 J vrouw vrouw Pvrouw t Pvrouw t vrouw 8,0 10 J t 1 dag s 8,0 10 Pvrouw 9 W b De energie-inhoud van 100 g crackers 85 kcal 1 g cracker levert een energie van,85 kcal 22 De energie-inhoud van één cracker 22 kcal mcracker 5, gram,85 c De energie-inhoud van één cracker: cracker 22 kcal De energie die 8,0 g kipfilet levert: 100 g kipfilet levert een energie van kj één g kipfilet levert een energie van, kj 8,0 g kipfilet levert een energie van 8,0, 5, kj kipfilet 5, kj 5, 10 J 1 1 cal 4,184 J (BINAS) 1 J cal 4,18 5, 10 kipfilet 12, 10 cal 12, kcal 4,18 De energie-inhoud van één cracker belegd met 8,0 g kipfilet totaal cracker + kipfilet 22 kcal + 12, kcal 4, kcal Het aantal crackers met kipfilet voor een man om volledig in zijn dagelijkse 2500 energiebehoefte te voldoen: N crackers 2 4, In de eerste twee minuten spelen bij de aansturing van de ADP ATP omzetting in de spieren twee reacties een rol waarbij geen zuurstof nodig is. Die twee reacties zijn de omzetting van ADP en kreatinefosfaat in ATP, en de omzetting van glycogeen. Na die twee minuten gaat zijn lichaam de ADP ATP reactie aansturen met de energie die vrijkomt uit de verbranding van glucose en vetzuren. Bij deze vormen van verbranding is wel zuurstof nodig. a Het extra vermogen dat Xander nodig heeft door te tennissen is: P extra W Het totale vermogen van Xander het basaal metabolisme + P extra W UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 11 van 1

12 b Richard heeft een vermogen van 280 W 280 J/s. In 0 minuten heeft Richard dus een energie verbruikt van in J 504 kj. Bij de verbranding van 1,0 gram koolhydraten komt er 1 kj aan energie vrij 504 mkoolhydraat 0 g 1 c Het energieverbruik van Xander in de tweede set 1,2 MJ 1,2 10 J. Het lichaam heeft gemiddeld 1,0 dm zuurstof nodig voor elke 21 kj die vrijkomt bij de verbranding van koolhydraten het aantal dm zuurstof dat 1, 2 10 Xander nodig heeft om de tweede set te spelen 5, Het percentage zuurstof in lucht is 20% je hebt 5 zoveel lucht nodig. De lucht die Xander heeft ingeademd 5 5,1 2, dm. Opgave 2 a De verdampingswarmte van water is 2,2 10 J/kg. b Melanie verliest per dag door verdamping 00 gram water per uur 00 25,0 gram. 24 De verdampingswarmte van water is 2,2 10 J/kg. Om 25,0 gram water te verdampen is een energie nodig van verdamping 0,0250 2,2 10 5, J 25% van haar energieverlies vindt door verdamping plaats het totale energieverlies is totaal 4 5, , 10 5 J c Melanie gebruikt ook nog energie om te bewegen, adem te halen enzovoort. De totale energiebehoefte is dus groter dan het energieverlies. d Melanie heeft aan energie nodig voor lesuren: totaal, , J Verbrandingswarmte van volle : 2 kj per 100 gram. De door het glas volle geleverde energie: , J 100 De hoeveelheid energie die nog geleverd moet worden door het brood: brood totaal 10,5 10 5, , J en bruine boterham met kaas zonder boter levert een energie bruine boterham + kaas Verbrandingswarmte van bruinbrood: 1048 kj per 100 gram De geleverde energie door één bruine boterham 0 5 bruine boterham , J 100 Verbrandingswarmte van kaas: 1558 kj per 100 gram De door één plak kaas geleverde energie: 15 5 kaas , 10 J 100 de door één bruine boterham met kaas geleverde energie:, , , J Het aantal bruine boterhammen met kaas dat Melanie moet eten: 5, , 2 5 5, UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 12 van 1

13 Opgave 24 a Het rendement van de extra energieproductie is 20% 80% van het extra vermogen wordt omgezet in warmte. Het extra vermogen is 50 W 80% van de hoeveelheid extra geproduceerde warmte per seconde gaat als extra warmteverlies naar de omgeving P extra 0, W Het basaal metabolisme is 5 W het warmteverlies is toegenomen met de factor: 448 5,. 85 b De warmteafgifte is (vooral) in de vorm van warmtestroming en verdamping. c Tijdens het lopen stroomt de lucht om hem heen, waardoor de warmte wordt afgevoerd. Als hij stilstaat, blijft de warme lucht om hem heen hangen, waardoor de warmteafvoer minder is. d Het energieverlies van de hardloper verlies P verlies t 425 2,5 00, J Voor het verdampen van 1,0 liter zweet is 2,4 MJ nodig, het volume zweet dat verdampt: Vzweet 1,liter 2, 4 10 UITWRKINGN OPGAVN HAVO 5 HOOFDSTUK 1 van 1