Energie-omzetting: omzetting van de ene energiesoort in de andere. Energie-overdracht: overdracht van energie van het ene voorwerp aan het andere.

Transcriptie

1 Energie Behoudswetten Natuurkundewet waarin wordt geformuleerd dat de totale waarde van een bepaalde grootheid (behouden grootheid) in een geïsoleerd systeem niet verandert. Energie-omzetting: omzetting van de ene energiesoort in de andere. Energie-overdracht: overdracht van energie van het ene voorwerp aan het andere. Wet van behoud van energie In een geïsoleerd systeem kan de totale hoeveelheid energie kan niet veranderen. Kinetische energie Potentiële energie Geldt de wet van behoud van energie? Warmte 1. Aristoteles: Materie, namelijk één van de vijf elementen e eeuw: Phlogiston Alle brandbare materialen bevattten een onzichtbare substantie (phlogiston) die de eigenschap hitte in zich draagt en die vrijkomt bij verbranding e eeuw: warmtevloeistof (calorische vloeistof) Warmte is een vloeistofachtig substantie, dat stroomt van hete voorwerpen naar koude (zoals water stroomt van hoog naar laag). De werking van de stoommachine kon met deze theorie worden begrepen en verbeterd, met zeer grote maatschappelijke gevolgen (industriële revolutie). Thomas Newcomen James Watt

2 4. James Joule Warmte kan ontstaan uit arbeid. Warmte is een energiesoort, die verband houdt met de energie van bewegende moleculen. Temperatuur: Een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de moleculen van de stof 1. Bij het absolute nulpunt 0 K staan alle moleculen stil. Warmte: De energiesoort die wordt uitgewisseld tussen voorwerpen met een verschillende temperatuur. De wet van behoud van energie is algemeen geldig (?) Kinetische energie Potentiële energie warmte (geluid) 1 Bij kamertemperatuur is de gemiddelde snelheid van zuurstofmoleculen ongeveer 500 m/s. 2

3 Geldt de wet van behoud van energie bij de energieproductie in sterren? Waar komt de energie vandaan die de zon (iedere seconde) uitstraalt? Informatie (BINAS): afstand aarde zon 149, m massa 1, kg straal 696, m dichtheid 1, kg/m 3 gravitatieversnelling 273,6 m/s 2 ontsnappingssnelheid 617,7 m/s uitgestraald vermogen 0, W centrale temperatuur 13, K centrale druk 0, Pa omlooptijd aarde 365,256 d massa 5, kg straal 6, m dichtheid 5520 kg/m 3 gravitatieversnelling 9,81 m/s 2 ontsnappingssnelheid 11, m/s zonneconstante 1, W/m 2 siderische rotatieperiode 23,96 h Verbrandingswarmten (stookwaarden) hout J/kg steenkool J/kg benzine J/m 3 stookolie J/m 3 aardgas (Gronings) J/m 3 (T = 273 K, p = p 0 ) butagas J/m 3 (T = 273 K, p = p 0 ) De zon bestaat zo n 4,5 miljard jaar. Ga met een berekening na dat de energieproductie van de zon onmogelijk het gevolg kan zijn van (chemische) verbrandingsreacties. Massa en energie Einstein heeft in 1905 (speciale relativiteitstheorie) laten zien, dat massa ook een energiesoort is. In de zon wordt bij kernfusiereacties materie (massa) omgezet in (stralings)energie. Ga met een berekening na dat de zon hiemee voorlopig kan doorgaan. De wet van behoud van energie is nog steeds algemeen geldig (?) 3

4 Geldt de wet van behoud van energie bij radio-actief -verval? In het begin van de 20 e eeuw is het verschijnsel radioactiviteit ontdekt door onderzoekers als Marie Curie. Sommige radio-actieve stoffen zenden -straling uit. Het bleek dat deze -straling snel bewegende elektronen zijn. Bij het vervallen van dezelfde atoomkernen (in dit voorbeeld bismuth-210) ontstonden elektronen met verschillende energieën. Deze energieverdeling kon niet worden verklaard en leek strijdig met de wet van behoud van energie. Pauli stelde (1930) dat er bij -verval, behalve het elektron, nog een ander deeltje onstaat, dat weliswaar niet waarneembaar was, maar wel de onrbrekende energie afvoerde. Dit deeltje is het neutrino. In het Antaresproject wordt op de bodem van de Middellandse zee een detector gebouwd om neutrino s uit het heelal waar te nemen. Zie: Leesopdracht: Hoofdstuk 1 Het ongrijpbare neutrino Nickolas Solomey Wetenschappelijke Bibliotheek van Natuur & Techniek De wet van behoud van energie is algemeen geldig. 4

5 Energie en entropie De 1 e hoofdwet van de thermodynamica (warmteleer) is de bekende wet van behoud van energie. Toch wordt door de overheid benadrukt dat het noodzakelijk is zuinig te zijn met energie. Dit heeft te maken met de 2 e hoofdwet van de thermodynamica. De 2 e hoofdwet handelt over de natuurlijke richting waarin de verdeling van de energie verandert. Hierbij is het begrip entropie van belang. Er zijn verschillende, gelijkwaardige formuleringen van de 2 e hoofdwet: Er is geen enkel proces mogelijk dat uitsluitend bestaat uit het onttrekken van warmte aan een reservoir en het volledig omzetten daarvan in arbeid. Bijvoorbeeld in een verbrandingsmotor wordt warmte omgezet in arbeid. De motor kan een voertuig in beweging zetten. Bij dit (cyclische) proces zal een deel van de warmte aan de koudere omgeving moeten worden afgegeven. Deze afvalwarmte gaat verloren. Er is geen proces mogelijk met als enig resultaat de overgang van energie van een kouder naar een warmer object. Warmte gaat spontaan van hoge temperatuur naar lage temperatuur. In een koelkast wordt warmte van de koude koelkast naar de warme keuken gebracht. Dit is uitsluitend mogelijk, omdat in de motor in de koelkast arbeid verricht, dankzij de elektrische energie, die het opneemt uit het stopcontact. Natuurlijke processen gaan gepaard met een toename van de entropie in de wereld. De entropie is een maat voor het aantal manieren waarop de deeltjes de toestand van het systeem kunnen vormen. Omdat de wanordelijke toestanden zeer veel waarschijnlijker zijn dan de ordelijke, zal bij ieder spontaan proces de chaos toenemen. Smeltende ijsblokjes: een voorbeeld van toename van entropie Elk systeem bestaat uit een bijzonder groot aantal deeltjes (atomen). Deze deeltjes bewegen allemaal volkomen chaotisch (incoherent). Eventueel bewegen de deeltjes daarnaast gezamenlijk (coherent), namelijk als het systeem zelf als geheel beweegt. Als er arbeid op het systeem wordt verricht, gaan de deeltjes coherent bewegen. Er is sprake van een toename van kinetische energie. Als er warmte naar het systeem gaat, gaan de deeltjes incoherent bewegen. Er is sprake van een toename van de inwendige energie; de temperatuur stijgt. Dit alles betekent dat het zinvol is om te spreken over de kwaliteit van energie. Warmte (bij een lage temperatuur) is een energiesoort van lage kwaliteit, omdat het niet gemakkelijk in andere energiesoorten (arbeid) is om te zeten. Bijvoorbeeld in het water van de oceanen is een onwaarschijnlijk grote hoeveelheid energie, door de incoherente beweging van het gigantisch grote aantal watermolekulen, aanwezig. Deze energie is echter niet beschikbaar! Het is dus zinvol om zuinig te zijn met energiesoorten van een hoge kwaliteit, zoals chemsiche en elektrische energie. 5

6 This document was created with Win2PDF available at The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only.