HANDBOEK NIEUWE NATUUR- EN SCHEIKUNDE 1 & 2 HAVO VWO

Transcriptie

1 HANDBOEK NIEUWE NATUUR- EN SCHEIKUNDE 1 & 2 HAVO VWO

2 NIEUWE NATUUR- EN SCHEIKUNDE NATUUR- EN SCHEIKUNDE VOOR DE ONDERBOUW 1 & 2 HAVO VWO AUTEURS: TH. SMITS R. TROMP MET MEDEWERKING VAN: H. GEURTS DERDE DRUK MALMBERG S-HERTOGENBOSCH

3 VOORWOORD Het boek dat je nu in je handen hebt, gebruik je bij het vak natuur- en scheikunde. Wat dat vak precies inhoudt, kunnen we niet in een paar woorden uitleggen. Daarom begint dit boek met een kennismakingshoofdstuk. Hierdoor krijg je een goede indruk van het vak natuur- en scheikunde. De methode De methode Nova bestaat uit een handboek (dit boek), twee werkboeken, een website en een uitwerkingenboek. In het handboek staat alle leerstof die je moet leren. Bovendien wordt achter in het handboek uitgelegd welke vaardigheden je bij het vak nodig hebt. In het werkboek staan opgaven, Test-Jezelf-vragen en proeven. De opgaven zijn opgesplitst in leerstofvragen, die vaak letterlijk in de theorie staan, en toepassingsvragen. Je kunt alle antwoorden en uitwerkingen in het werkboek invullen. In het handboek wordt steeds aangegeven wanneer je het werkboek nodig hebt. Via je epack krijg je toegang tot de website. Je vindt bij elk hoofdstuk een instaptoets. Daarin staan leerstofvragen van het hoofdstuk. Zo kun je kijken wat je al van het onderwerp weet. Verder bevat de website bij ieder hoofdstuk computerlessen, een kennisspel en een adviestoets. Op de website staat ook een begrippenlijst. In sommige hoofdstukken zijn computerproeven en digitale activiteiten opgenomen. Dat zijn digitale vaardigheden. Basisstof, Plusstof en Extra basisstof De meeste leerstof in het boek werk je samen met de hele klas door. Dit is de basisstof die alle leerlingen moeten kennen. Aan het einde van elke paragraaf staat Plusstof. Daarmee ga je aan het werk als je klaar bent met de basisstof en nog tijd over hebt. Vaak is de Plusstof iets moeilijker dan de basisstof. Aan het einde van elk hoofdstuk staan twee paragrafen met keuzestof. Je herkent ze meteen aan de groene en blauwe kleur van de pagina s. In de eerste paragraaf vind je een inhoudsopgave van de website voor het hoofdstuk, in de tweede Extra basissstof. Zelfstandig werken Met de methode Nova kun je goed zelfstandig werken. Je kunt alleen of met een groepje opgaven maken, onderzoek doen of jezelf overhoren met de Test-Jezelf-pagina s. Je zult ook af en toe uitleg krijgen met de hele klas. Als je zelfstandig werkt, is het handig om een planning te maken. Dat betekent dat je van tevoren opschrijft wat je gaat doen en wanneer. Natuur- en scheikunde gaat over de wereld om je heen. Het is boeiend en spannend om die wereld te ontdekken. We hopen dat dit boek je daar een handje bij kan helpen. Veel succes! De auteurs 3

4 INHOUDSOPGAVE Voorwoord 3 1 Natuurwetenschappen 1 Röntgenstraling 8 2 Indicatoren 10 3 Geluid 12 4 Achter je pc 15 5 Extra basisstof: In het lichaam kijken 16 2 Stoffen en hun eigenschappen 1 Stoffen 20 2 Materialen 22 3 Massa en volume 25 4 Dichtheid 28 5 Achter je pc 31 6 Extra basisstof: Windsurfen 32 3 Water en lucht 1 Fasen en fase-overgangen 36 2 Thermometers 38 3 Kookpunt en smeltpunt 41 4 Zuiver water 44 5 Lucht en luchtdruk 47 6 Achter je pc 51 7 Extra basisstof: Wolken 52 4 Warmte 1 Warmtebronnen en brandstoffen 56 2 Aardgas verbranden 58 3 Geleiding en stroming 61 4 Straling 63 5 Isolatie 65 6 Achter je pc 67 7 Extra basisstof: Verwarming door de zon 68 4

5 5 Elektriciteit 1 De stroomkring 72 2 Spanningsbronnen 74 3 Schakelingen 76 4 Stroom meten 78 5 Elektrisch energieverbruik 80 6 Achter je pc 83 7 Extra basisstof: De elektrische installatie van de auto 84 6 Licht 1 Zien 88 2 Schaduw 90 3 Spiegelen 93 4 Licht en kleur 96 5 Infrarood en ultraviolet 98 6 Achter je pc Extra basisstof: Het gezichtsveld van spiegels Bewegen 1 Bewegingen vastleggen en beschrijven Gemiddelde snelheid Versneld eenparig vertraagd Remmen en botsen Achter je pc Extra basisstof: De fietsversnelling Geluid 1 Geluid maken en horen Toonhoogte en frequentie Geluidssterkte Geluidsoverlast bestrijden Achter je pc Extra basisstof: Blaasinstrumenten 138 Vaardigheden 140 Trefwoordenregister 154 5

6 De zon is de belangrijkste warmtebron. Als die te weinig warmte geeft, kun je een brandstof gebruiken om warm te blijven, zoals hout, steenkool en aardolie. De meeste Nederlanders gebruiken aardgas om hun huis te verwarmen en om eten te koken. Basisstof 1 Warmtebronnen en brandstoffen 56 2 Aardgas verbranden Geleiding en stroming 61 4 Straling 63 5 Isolatie 65 Achter je pc 6 Achter je pc 67 Extra basisstof 7 Verwarming door de zon 68 54

7 Warmte Verbranden en verwarmen 55

8 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte 1 Warmtebronnen en brandstoffen Een modern strijkijzer werkt op elektriciteit. Maar hoe zouden de mensen vroeger hun kleren hebben gestreken, toen er nog geen elektrische apparaten waren? chemische energie warmte elektrische energie afbeelding 1 de omzetting van chemische energie in warmte warmte afbeelding 2 de omzetting van elektrische energie in warmte Warmtebronnen thuis en op school Als je iets wilt verwarmen, heb je een warmtebron nodig. De gasbrander die je bij de natuur- en scheikundelessen gebruikt, is zo n warmtebron. Ook in huis vind je allerlei warmtebronnen, bijvoorbeeld de cv, de geiser, de boiler, het fornuis, de oven, het theelichtje en het strijkijzer. Energie omzetten Sommige warmtebronnen leveren warmte door een brandstof te verbranden. Een gasbrander verbrandt aardgas, een oliekachel huisbrandolie. De energie in aardgas of in een andere brandstof (zoals aardolie of steenkool) wordt chemische energie genoemd. Chemische energie kun je omzetten in warmte door de brandstof te verbranden (afbeelding 1). Warmte is ook een vorm van energie. Hoe meer brandstof er wordt verbrand, des te meer warmte er ontstaat. Er zijn ook warmtebronnen die elektrische energie omzetten in warmte. Denk maar aan een broodrooster of een strijkijzer (afbeelding 2). Over deze warmtebronnen leer je meer in hoofdstuk 5. Bijna alle woonhuizen in Nederland zijn aangesloten op het aardgasnet. Het gemiddelde gasverbruik ligt rond 2000 m 3 aardgas per jaar. Het grootste deel daarvan wordt gebruikt voor de verwarming van het huis. Al het gas dat in een woonhuis wordt verbruikt, stroomt eerst door een gasmeter. Door het verschil tussen de meterstanden aan het begin en het einde van het jaar te bepalen, kun je berekenen hoeveel gas er dat jaar verbruikt is. Als je weet hoeveel een kubieke meter aardgas kost, kun je vervolgens berekenen hoeveel je in dat jaar voor aardgas moet betalen. 56

9 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte Warmte toevoeren Als je met een gasbrander een bekerglas met water verwarmt, zal de temperatuur van het water stijgen. Het water neemt dan warmte op. Hoe groot de temperatuurstijging is, kun je aflezen op een thermometer. Als je een bodempje water in het bekerglas doet, kookt het water al na enkele ogenblikken. Maar als het bekerglas bijna vol is, moet je veel langer wachten. Hoe meer water je in het bekerglas doet, des te meer warmte moet je toevoeren om het water aan de kook te brengen (afbeelding 3). temperatuur (ºC) 100 temperatuur (ºC) 100 afbeelding 3 Hoe meer water er is, des te meer warmte je moet toevoeren tijd (min) tijd (min) Maak nu de opgaven in je werkboek. Plus Energie uit brandstoffen Elke hoeveelheid elektrische energie, chemische energie en warmte wordt opgegeven in joule (J). Deze energie-eenheid is genoemd naar de Engelse natuurkundige James Prescott Joule ( ). De hoeveelheid warmte die brandstoffen leveren, wordt opgegeven in joule per kg, per m 3 of per liter. Dit wordt de verbrandingswarmte van de brandstof genoemd (afbeelding 4). Hoe groot de verbrandingswarmte van een brandstof is, hangt af van het soort brandstof. In tabel 1 is voor een aantal brandstoffen de verbrandingswarmte gegeven. tabel 1 verbrandingswarmte van een aantal brandstoffen soort brandstof verbrandingswarmte droog hout 16 miljoen joule/kg steenkool 29 miljoen joule/kg benzine 33 miljoen joule/l huisbrandolie 40 miljoen joule/l spiritus 18 miljoen joule/l aardgas 32 miljoen joule/m 3 butagas 110 miljoen joule/m 3 afbeelding 4 Elke brandstof heeft zijn eigen verbrandingswarmte. 57

10 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte 2 Aardgas verbranden Klaartje leest in de krant dat een bejaarde man aan kolendampvergiftiging is overleden, terwijl er geen steenkool in de woning werd verbrand. Wat wordt er met dat woord bedoeld? De cv-installatie In afbeelding 5 is de cv-installatie van een woonhuis getekend. In de verwarmingsketel wordt aardgas verbrand. Daarbij ontstaan gassen die erg heet zijn. De hete gassen stromen daarna langs de warmtewisselaar. Op die manier wordt het water in de warmtewisselaar verhit. De pomp pompt het hete water naar de radiatoren. Daar staat het water warmte af. Zo worden de vertrekken waarin de radiatoren staan, verwarmd. cv-ketel warmtewisselaar gas pomp afbeelding 5 de cv-installatie in een woonhuis radiator Verbranden Voor elke verbranding is een brandstof nodig. De brandstof die in een cv-ketel wordt gebruikt, is aardgas. Het brandbare deel van aardgas is methaan. Voor elke verbranding is ook zuurstof nodig. Deze zuurstof zit in lucht. Daarom is het belangrijk dat er in de cv-ketel voor voldoende luchttoevoer wordt gezorgd. Om een verbranding op gang te brengen, moet het mengsel van aardgas en lucht een bepaalde temperatuur hebben bereikt: de ontbrandingstemperatuur. Je kunt aardgas ontsteken met een lucifer of een waakvlam, maar ook met de vonk van een aansteker. 58 Verbrandingsproducten Behalve een heleboel warmte ontstaan bij verbranding ook verbrandingsproducten. De verbrandingsproducten die bij de verbranding van aardgas ontstaan, zijn water(damp) en koolstofdioxide of CO 2. Koolstofdioxide wordt ook wel koolzuurgas genoemd.

11 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte Het ontstaan van water(damp) kun je aantonen als je een koud bekerglas boven een brandende gasbrander houdt: het glas beslaat. Het koolstofdioxide kun je aantonen door de verbrandingsgassen van een gasvlam door kalkwater te leiden. Het kalkwater wordt dan troebel. De opstelling hiervoor is in afbeelding 6 getekend. naar waterstraalpomp Het reactieschema Het verbranden van aardgas wordt een reactie genoemd. Bij een reactie verdwijnen de stoffen waarmee je begint. Daarvoor in de plaats krijg je nieuwe stoffen met nieuwe eigenschappen. Bij het verbranden van aardgas verdwijnen de stoffen methaan en zuurstof. Daarvoor in de plaats komen de stoffen water en koolstofdioxide (afbeelding 7). Je kunt zo n reactie weergeven in een reactieschema. Het reactieschema van de verbranding van aardgas ziet er als volgt uit: methaan(g) + zuurstof(g) water(g) + koolstofdioxide(g) afbeelding 6 het aantonen van CO 2 helder kalkwater De g achter elke stof staat voor het Engelse woord gas. Als er vloeistoffen bij de reactie betrokken zijn, gebruik je l van liquid (het Engelse woord voor vloeibaar ). Voor vaste stoffen wordt de s gebruikt, van solid (het Engelse woord voor vast ). Volledige en onvolledige verbranding De brander van een gaskachel is zo gemaakt dat het aardgas goed wordt gemengd met lucht. Omdat voor de verbranding veel lucht nodig is (ongeveer tien liter lucht op een liter aardgas), moet er voldoende verse lucht kunnen worden aangevoerd. aardgas afbeelding 7 de verbrandingsreactie van aardgas zuurstof warmte koolstofdioxide waterdamp 59

12 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte Koolmonoxide velt gasten restaurant Rotterdam Zeker acht mensen zijn gisteravond bedwelmd geraakt door vrijgekomen koolmonoxide in een restaurant in Rotterdam. Ook een agent raakte onwel. Dat liet een woordvoerder van de brandweer weten. De mensen waren te gast in het tapasrestaurant aan de Pannenkoekstraat. Als er niet genoeg verse lucht wordt toegevoerd, kan er naast koolstofdioxide en water ook koolstofmono-oxide ontstaan. Dit is een reukloos gas dat zeer giftig is als het wordt ingeademd. Het wordt ook wel kolendamp of koolmonoxide genoemd. Het gebeurde vroeger regelmatig dat mensen door kolendampvergiftiging om het leven kwamen. Ondanks veel strengere voorschriften gebeuren er nog steeds ongelukken (afbeelding 8). Maak nu de opgaven in je werkboek. Uit: De Pers. afbeelding 8 Koolmonoxidevergiftiging komt (helaas) nog wel eens voor. Plus Rendement Een gewone verwarmingsketel heeft een rendement van ongeveer 70%. Dat wil zeggen: van de warmte die bij de verbranding van het aardgas vrijkomt, wordt 70% opgenomen door het water en verdwijnt 30% naar buiten. Een moderne HR-ketel heeft een rendement van ruim 90%. HR staat voor: hoog rendement (afbeelding 9). Met het rendement geef je aan hoeveel procent van de energie nuttig wordt gebruikt. De cv-ketels met deze keurmerken voldoen aan de eisen van een hoog rendement en een lage uitstoot van schadelijke verbrandingsgassen. afbeelding 9 uit de folder van een cv-ketelfabrikant 60

13 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte 3 Geleiding en stroming Een pan die net van het fornuis komt, is flink heet. Toch kun je zo n pan wel beetpakken zonder je vingers te branden. Hoe dan? metaal metaal Warmtetransport Als de cv aanstaat, wordt er voortdurend heet water naar de radiatoren gepompt. Wanneer je een koude radiator opendraait, wordt hij snel gevuld met heet water. De warmte wordt dus vervoerd van de verwarmingsketel naar de verschillende kamers in huis. Daarbij kom je verschillende vormen van warmtetransport tegen, zoals geleiding en stroming. lucht 20 C water 70 C lucht 20 C afbeelding 10 geleiding bij een radiator Warmtetransport door geleiding In een radiator vindt het volgende warmtetransport plaats (afbeelding 10): 1 Het hete water geeft warmte af aan de binnenkant van de radiator. 2 De warmte wordt door geleiding vervoerd naar de buitenkant van de radiator. 3 Aan de buitenkant wordt de warmte afgestaan aan de lucht en de voorwerpen in de kamer. Bij geleiding verplaatst de warmte zich door een stof van de plek met de hoogste temperatuur naar die met de laagste temperatuur. Zonder dit temperatuurverschil zou er geen warmtetransport plaatsvinden. Bij een radiator is de plaats met de hoogste temperatuur de binnenkant van de radiator en die met de laagste temperatuur de buitenkant. Er zijn verschillende soorten radiatoren (afbeelding 11). De oppervlakte van radiatoren wordt vaak groter gemaakt door ze een gegolfd oppervlak te geven. Door dit grotere contactoppervlak kunnen ze hun warmte beter afstaan aan de lucht. Het hete water komt de radiator aan de bovenkant binnen. Daar vind je ook de knop om de aanvoerleiding dicht te draaien. De retourleiding zit aan de onderkant. afbeelding 11 van boven naar beneden: vlakkenplaatradiator, paneelradiator en ledenradiator 61

14 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte Goede en slechte warmtegeleiders Metalen zijn goede warmtegeleiders. Andere vaste stoffen (plastic bijvoorbeeld) zijn slechte warmtegeleiders (afbeelding 12). Daarom voelt een metalen stuur van een fiets kouder aan dan de plastic handvatten. Het metaal van het stuur neemt namelijk de warmte van je handen direct op. Bijna alle vloeistoffen en gassen geleiden de warmte slecht. afbeelding 12 goede en slechte warmtegeleiders in huis afbeelding 13 stroming van warme lucht door een kamer Warmtetransport door stroming Proef 2 en 3 Als de lucht rond een radiator warmer wordt, zet hij uit. De lucht wordt daardoor lichter dan de lucht in de rest van de kamer, beter gezegd: warme lucht heeft een kleinere dichtheid dan koude lucht. Het gevolg is dat de lichte warme lucht in de zware koude lucht stijgt. Tegen het plafond koelt de warme lucht langzaam af, om ten slotte aan de andere kant van de kamer weer naar beneden te zakken. Ondertussen stroomt koude lucht van onder en opzij naar de radiator toe. Deze lucht zal op zijn beurt worden verwarmd en gaan stijgen. Op die manier ontstaat in de kamer een natuurlijke luchtcirculatie (afbeelding 13). Bij stroming verplaatst de warmte zich altijd samen met de vloeibare of gasvormige stof van de plaats met de hoogste temperatuur naar de plaats met de laagste temperatuur. Lucht is, zoals alle gassen, een zeer slechte warmtegeleider. Maar door stroming kan lucht wel veel warmte vervoeren. Maak nu de opgaven in je werkboek. Plus Het expansievat Als het water in een cv-installatie wordt verwarmd, zet het uit. De cv-leidingen zetten ook uit, maar veel minder dan het water. Daardoor is er niet genoeg ruimte om het water te laten uitzetten. Dit probleem wordt opgelost door een expansievat in de cv-installatie op te nemen. Dit vat biedt ruimte voor het water dat niet meer in de leidingen past. Expansie betekent uitzetting. Meestal is het expansievat rood en wordt het dicht bij de ketel gemonteerd. In het expansievat zit een rubber vel: het membraan (afbeelding 14). Membraan en stikstofgas samen zijn erg veerkrachtig en zorgen ervoor dat het overtollige water alle ruimte krijgt die het nodig heeft. water rubber vel stikstofgas cv staat uit cv staat aan afbeelding 14 een expansievat 62

15 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte 4 Straling Mees las in een tijdschrift dat je met een bepaald soort kijker in het donker toch mensen kunt zien. Hoe kan dat? Straling Als de temperatuur van een voorwerp niet erg hoog is, zendt het zogenoemde infrarode straling uit. Zo verwarmen radiatoren (met een temperatuur van ongeveer 60 C) een kamer niet alleen door stroming, maar voor een deel ook door (infrarode) straling. Het woord radiator betekent letterlijk straler. Deze infrarode straling is niet zichtbaar, maar het effect ervan is wel te voelen: houd je handen maar eens voor de voorkant van een radiator als die aan staat. Als de temperatuur van een voorwerp hoog genoeg is (enkele honderden graden), zoals bij een broodrooster, zendt het zowel infrarode straling als (zichtbaar) licht uit (afbeelding 15). De zon is zo heet (ongeveer 6000 C) dat hij, behalve infrarode straling en zichtbaar licht, ook ultraviolette straling uitzendt. Hierover staat meer in hoofdstuk 7. De straling van de zon gaat door de luchtledige ruimte en komt via de atmosfeer op aarde terecht. De infraroodcamera Met een infraroodcamera kun je een thermogram maken: een foto waarop je kunt zien hoeveel infrarode straling een voorwerp uitzendt. Als het voorwerp op een (zwart-wit) thermogram licht gekleurd is, straalt het veel infrarode straling uit. Als het er donker uitziet, straalt het weinig infrarode straling uit. De linkerfoto op de volgende bladzijde (afbeelding 16) is een gewone foto, de rechterfoto (afbeelding 17) is een thermogram. Je kunt goed zien waar het huis de meeste warmte uitstraalt. Een huiseigenaar kan uit het thermogram opmaken op welke plaatsen hij zijn huis beter moet isoleren. afbeelding 15 De productie van metalen pijpen: hoe hoger de temperatuur ervan is, des te meer zichtbaar licht ze uitstralen. 63

16 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte afbeeling 16 een gewone foto van een woonhuis afbeelding 17 een thermogram van een woonhuis afbeelding 18 Wit weerkaatst het zonlicht en zwart absorbeert het. Uitzenden en absorberen Een voorwerp kan warmte afstaan door straling uit te zenden en het kan warmte opnemen door straling te absorberen. Zo wordt je lichaam warmer als het de straling van een hete radiator absorbeert. Als een voorwerp dezelfde temperatuur heeft als zijn omgeving, zal het evenveel straling uitzenden als absorberen. In dat geval is er geen nettowarmtetransport. Als een voorwerp een hogere temperatuur heeft dan zijn omgeving, zal het meer straling uitzenden dan absorberen. Het gevolg is dat het voorwerp warmte aan zijn omgeving afstaat. Daardoor zal de temperatuur dalen tot het voorwerp dezelfde temperatuur als de omgeving heeft gekregen. Absorptie en kleur In afbeelding 18 draagt Rosita een wit T-shirt. Een wit of glimmend oppervlak kaatst zonlicht gemakkelijk terug. Daarom kun je in de zomer maar het best lichtgekleurde kleren dragen. Zwarte oppervlakken absorberen zonlicht erg goed. Daarom heb je het ook snel warm als je s zomers een donker T-shirt draagt. Het is niet altijd zo dat infrarode straling zich hetzelfde gedraagt als zichtbaar licht. Zichtbaar licht bijvoorbeeld gaat moeiteloos door een glazen ruit. Infrarood licht wordt door een glazen ruit gedeeltelijk geabsorbeerd en gedeeltelijk teruggekaatst. Maak nu de opgaven in je werkboek. lucht Plus vacuüm De thermoskan Een thermoskan heeft een binnen- en een buitenwand van glas. De ruimte tussen deze twee wanden is vacuüm gemaakt. In deze ruimte kan de warmte niet worden vervoerd door stroming of geleiding. Bovendien is de fles op een stuk kurk gezet (afbeelding 19). Kurk is een slechte warmtegeleider. Warmteverlies kan ook optreden door straling van binnen naar buiten. Om dat tegen te gaan zijn de glazen _HB_HV_H4.indd 64 binnen- en buitenwand van een thermosfles bekleed met een glanzend metalen laagje. Dit metalen laagje kaatst het grootste deel van de warmtestraling weer terug de fles in. spiegelende metaallaag kurk afbeelding 19 een doorsnede van een thermoskan :18:49

17 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte 5 Isolatie Janneke beweert dat een ijsbeer zo goed geïsoleerd is door zijn dikke vacht en huid dat hij geen warmte verliest. Is dat zo? Een kamer verwarmen Als in een koude kamer een gaskachel brandt, zal de temperatuur in de kamer stijgen. Als alle warmte van de gaskachel in de kamer zou blijven, zou de temperatuur voortdurend blijven stijgen. In werkelijkheid gebeurt dat niet: de temperatuur wordt na een tijdje constant, ook al brandt de kachel gewoon door. Dat komt doordat er voortdurend warmte naar buiten lekt. Naarmate het temperatuurverschil tussen binnen en buiten groter wordt, zal er steeds meer warmte naar buiten verdwijnen. Zodra er evenveel warmte naar buiten verdwijnt als de kachel produceert, stijgt de temperatuur in de kamer niet langer maar blijft constant. Isoleren Als je brandstof wilt besparen, moet je het warmtetransport naar buiten toe zo veel mogelijk beperken. Dat kan onder andere door het isoleren van muren, daken en vloeren (afbeelding 20). Door een goede isolatie verdwijnt de warmte maar langzaam naar buiten. De verwarming in huis hoeft maar weinig warmte te produceren om het huis op een aangename temperatuur te houden (afbeelding 21). Dit geldt ook voor een ijsbeer: hij verliest wel degelijk warmte, maar dat gebeurt door zijn goede isolatie slechts langzaam. Het warmtetransport door een muur Baksteen is een betrekkelijk goede warmtegeleider. Door de muren van een huis kan de warmte dan ook vrij gemakkelijk naar buiten verdwijnen. Hoeveel warmte er in een bepaalde tijd naar buiten verdwijnt, hangt af van: - het temperatuurverschil tussen binnen en buiten: hoe kleiner dat temperatuurverschil is, des te minder warmte naar buiten verdwijnt; - het materiaal waarvan de muur is gemaakt: hoe slechter dat geleidt, des te minder warmte naar buiten verdwijnt; - de dikte van de muur: hoe dikker de muur is, des te minder warmte naar buiten verdwijnt; - de oppervlakte van de muur: hoe kleiner de oppervlakte, des te minder warmte naar buiten verdwijnt. 20 C 20 C 10 C afbeelding 20 In een slecht geïsoleerd huis verdwijnt per seconde veel warmte naar buiten. Door de verwarming in huis moet dus veel warmte worden geproduceerd om het huis op een vaste, aangename temperatuur te houden. 10 C afbeelding 21 In een goed geïsoleerd huis verdwijnt per seconde weinig warmte naar buiten. Door de verwarming in huis hoeft dan ook weinig warmte te worden geproduceerd om het huis op een constante, aangename temperatuur te houden. 65

18 BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte Huizen isoleren Je kunt het warmteverlies door een muur beperken door tegen de muur een laag isolatiemateriaal aan te brengen. Ook daken en vloeren worden vaak op deze manier geïsoleerd. Isolatiematerialen zitten vol met kleine ruimtes waarin zich lucht bevindt. Vooral door die lucht wordt het warmteverlies tegengegaan: (opgesloten) lucht geleidt de warmte nog veel slechter dan plastic, glas of een andere vaste stof. Ook een ijsbeer profiteert hiervan: tussen de haren van zijn vacht bevindt zich veel lucht. afbeelding 22 het aanbrengen van isolatiemateriaal in de spouwmuur Veel huizen hebben dubbele muren, waartussen zich een laag lucht bevindt: de spouw. De spouw voorkomt dat de binnenmuur vochtig wordt door regendoorslag. Door zo n spouw gaat vrij veel warmte verloren. Je kunt het warmteverlies tegengaan door de spouw te vullen met isolatiemateriaal. Hierin kan de warmte zich alleen door geleiding verplaatsen. Een spouwvulling is een slechte geleider (afbeelding 22). Dubbel glas Ook door de ruiten kan de warmte gemakkelijk naar buiten verdwijnen. Dat geldt vooral als er tussen de lucht in de kamer en de buitenlucht maar één dun laagje glas zit. Dit warmteverlies kun je tegengaan door dubbel glas aan te brengen. Op die manier kun je het warmteverlies door de ruit flink beperken. Dubbel glas isoleert vooral goed door de laag lucht tussen de twee glasplaten (afbeelding 23). Lucht is een slechte warmtegeleider. Maak nu de opgaven in je werkboek. afbeelding 23 enkel glas (links) en dubbel glas (rechts) Plus K-waarde Om aan te geven hoe goed een bepaald materiaal isoleert, wordt de zogenoemde K-waarde gebruikt. Zo is de K-waarde van enkel glas 6. Dat betekent dat er per seconde 6 joule warmte door een glasoppervlak van 1 m 2 naar buiten gaat bij een temperatuurverschil van 1 C tussen binnen- en buitenkant van het glas. Als je de K-waarden van alle oppervlakten van een huis kent, en je weet het oppervlakte, kun je voorspellen hoeveel energie je in huis per dag verliest bij een bepaald temperatuurverschil tussen binnen en buiten. 66

19 ACHTER JE PC Hoofdstuk 4 Warmte 6 Achter je pc Instaptoets Wat weet je al van een onderwerp? Met behulp van de vragen uit de instaptoets kun je je kennis testen. Dat doe je als start voor een nieuw hoofdstuk. De instaptoets is beschikbaar via je epack. Begrippen De belangrijkste begrippen zijn opgenomen in je epack. Van deze begrippen is een omschrijving opgenomen. Computerles De leerdoelen van dit hoofdstuk kun je voor een groot deel ook achter de pc behalen. Daarvoor heb je wel je epack nodig. Ook als extra ondersteuning kunnen de computerlessen je helpen bij het begrijpen van de stof. Vaardigheden De vaardigheden en de Digitale Activiteiten (DiAcs) zijn alleen toegankelijk via je epack. DiAc Ons huis wordt verwarmd door een cv-installatie, waarin aardgas verbrand wordt. Hoeveel aardgas er wordt verbruikt, hangt af van de temperatuur buiten, de isolatie en nog een aantal factoren. Met deze digitale activiteit (DiAc) kun je de computer het aardgasverbruik laten uitrekenen. Test Jezelf Met behulp van een toets kun je nagaan hoe goed je de stof beheerst. Als je de toets via je epack maakt, krijg je advies voor een vervolgroute op maat. Kennisspel Via je epack kun je het Kennisspel over dit hoofdstuk spelen. 67

20 EXTRA BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte 7 Verwarming door de zon Linde vindt het wel prettig, dat opwarmen van de aarde door het broeikaseffect. Nooit meer van die koude winters. Wat vind jij? Het broeikaseffect Als de zon schijnt, wordt de temperatuur van het aardoppervlak hoger. Dat komt doordat onder andere de grond en de planten zonlicht absorberen en zo warmte opnemen. Glas laat zonlicht door. Het licht van de zon kan een glazen broeikas binnenkomen en de grond en de planten in de kas verwarmen (afbeelding 24). De temperatuur van de grond en de planten stijgt als ze door de zon worden verwarmd. Ze gaan daardoor meer infrarode straling uitstralen. Deze straling wordt niet, zoals licht, door het glas van de kas doorgelaten maar door het glas geabsorbeerd en gedeeltelijk teruggekaatst. De temperatuur in de kas kan dan ook veel hoger worden dan de temperatuur buiten. Dit wordt het broeikaseffect genoemd. Het broeikaseffect treedt dus op doordat glas zonlicht doorlaat, maar infrarode straling absorbeert (afbeelding 25). afbeelding 24 broeikassen in het Westland afbeelding 25 Invallend licht wordt door het glas doorgelaten (links). De meeste infrarode straling van de bodem wordt vervolgens door het glas geabsorbeerd en een gedeelte wordt de kas in teruggekaatst (rechts) _HB_HV_H4.indd :19:16

21 ESTRA BASISSTOF Hoofdstuk 4 Warmte Het broeikaseffect in de atmosfeer De manier waarop de zon de aarde verwarmt, lijkt veel op de manier waarop een broeikas wordt verwarmd: 1 De atmosfeer laat het zonlicht door. Het aardoppervlak absorbeert het zonlicht en stijgt daardoor in temperatuur. 2 Door die temperatuurstijging zal het aardoppervlak meer infrarode straling uitstralen. Deze infrarode straling wordt voor een deel door de atmosfeer geabsorbeerd. Hierdoor stijgt de temperatuur van de atmosfeer. 100% 28% 72% atmosfeer De gassen die infrarode straling absorberen, worden ook wel broeikasgassen genoemd. Belangrijke broeikasgassen zijn koolstofdioxide en methaan. Bij een vaste temperatuur zendt de aarde per seconde even veel warmte uit als ze opneemt van de zon (afbeelding 26). Door onder andere het verbranden van steenkool, aardolie en aardgas is de laatste vijftig jaar steeds meer koolstofdioxide in de atmosfeer terechtgekomen. Door dit versterkte broeikaseffect is de gemiddelde temperatuur op aarde aan het stijgen. afbeelding 26 In evenwicht straalt de aarde per seconde even veel warmte uit als ze opneemt. De zonneboiler In de zonneboiler van afbeelding 27 wordt water opgewarmd door gebruik te maken van het licht van de zon. Een belangrijk onderdeel van de zonneboiler is de zonnecollector: een zwarte plaat waarop buizen zijn aangebracht. Door de buizen stroomt water. De collector neemt warmte op door zonlicht te absorberen. Deze warmte wordt door geleiding afgegeven aan het water in de buizen. Boven de zwarte plaat is dubbel glas aangebracht. De onderkant van de zwarte plaat is voorzien van een laag isolatiemateriaal (afbeelding 28). Een pomp zorgt ervoor dat het door de zon verwarmde water uit het opslagvat naar alle radiatoren in huis wordt gepompt. Maak nu de opgaven in je werkboek. zonnecollector bijverwarming geiser absorptieplaat dubbele glasplaat warmte-isolatie warm water pomp buis bodemplaat koud water opslagvat isolatie afbeelding 27 de werking van een zonneboiler koud water warm water afbeelding 28 Zo wordt water in een zonnecollector verwarmd. 69