HANDBOEK NIEUWE NATUURKUNDE 3 VWO GYMNASIUM

Transcriptie

1 HANDBOEK NIEUWE NATUURKUNDE 3 VWO GYMNASIUM

2

3 NIEUWE NATUURKUNDE 3 VWO GYMNASIUM AUTEURS: F. ALKEMADE TH. SMITS R. TROMP MET MEDEWERKING VAN: H. GEURTS Bij Nova hoort een epack met elektronische informatie. Je hebt de epack niet per se nodig, maar via de Computerlessen zul je de stof sneller begrijpen en zal het leren makkelijker gaan. Je kunt je epack bestellen via DERDE DRUK MALMBERG S-HERTOGENBOSCH

4

5 VOORWOORD De methode De methode Nova bestaat uit een handboek (dit boek), een opdrachtenboek, een website en een uitwerkingenboek. In het handboek staat alle leerstof die je moet leren. Bovendien vind je in het handboek een overzicht van de vaardigheden die je bij het vak nodig hebt. In het opdrachtenboek staan opgaven, Test Jezelf-vragen, practica en onderzoeken. Antwoorden en uitwerkingen maak je in een schrift of klapper, en op speciale werkbladen. In het handboek wordt steeds aangegeven wanneer je het opdrachtenboek nodig hebt. Op de epack krijg je toegang tot de website. Daar is voor ieder hoofdstuk een instaptoets opgenomen. De leerdoelen kun je via Computerles ook deels achter de pc behalen. In sommige hoofdstukken zijn computerproeven en digitale activiteiten opgenomen. Dat zijn digitale vaardigheden. Ook staat de Test Jezelf uit je opdrachtenboek als elektronische Adviestoets op de site. Op basis van de score berekent de computer welke vervolgroute in jouw specifieke geval het meest geschikt is. Als laatste bevat de epack een begrippenlijst. De epack is niet noodzakelijk om Natuurkunde 3 vwo gymnasium goed af te ronden. In het algemeen helpt epack je echter wel de stof sneller te begrijpen. Basisstof, Remediërende route, 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. Als je de elektronische Adviestoets niet zo goed maakt, word je verwezen naar de Remediale route. Dat zijn de Computerlessen die veel leerdoelen nog eens op een andere manier presenteren. Aan het einde van elke paragraaf staat de Plus. Daarmee ga je aan het werk als je klaar bent met de basisstof en nog tijd over hebt. Of je doet de Plusstof op basis van het advies dat je via je elektronische Adviestoets aan het einde van het hoofdstuk krijgt. Vaak is de Plus iets moeilijker dan de basisstof. Aan het einde van elk hoofdstuk staan twee paragrafen met Extra basisstof. Je herkent ze meteen aan de afwijkende kleur van de pagina s. In de eerste paragraaf van de Extra basisstof vind je een samenvatting van de website bij het hoofdstuk, in de tweede een toepassing van de leerstof aan de hand van een (kranten)artikel. 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. We hopen dat je met plezier met dit boek en met de andere onderdelen van de methode zult werken. Veel succes! De auteurs 3

6 INHOUDSOPGAVE Voorwoord Kracht, moment en druk 1 Krachten 08 2 Zwaartekracht, gewicht en stabiliteit 11 3 Krachten meten 14 4 Hefbomen 17 5 Druk 20 6 Achter je pc 23 7 Extra basisstof: Torenkranen, onmisbaar in de bouw 24 2 Licht 1 Lichtbreking 28 2 De lens 32 3 Rekenen aan lenzen 35 4 Lichtstralen tekenen 39 5 Oog en bril 42 6 Achter je pc 45 7 Extra basisstof: Digitale camera niet meer weg te denken 46 3 Elektriciteit 1 Lading en spanning 50 2 Elektrische stroom 52 3 Weerstand 56 4 Weerstandjes in serie en parallel 59 5 Vermogen 62 6 Soortelijke weerstand 64 7 Achter je pc 67 8 Extra basisstof: Langste elektriciteitskabel ter wereld 68 4 Energie 1 Energie omzetten 72 2 Elektrische energie omzetten in warmte 75 3 Chemische energie omzetten in warmte 79 4 Elektriciteit opwekken 82 5 Energie in voedsel 86 6 Achter je pc 89 7 Extra basisstof: Snoerloos samenleven 90 4

7 5 Automatische schakelingen 1 Automatische schakelingen 94 2 Temperatuur regelen: de thermostaat 96 3 Het relais en de transistor 99 4 NTC en LDR Achter je pc Extra basisstof: Slimme verkeerslichten Arbeid 1 Arbeid verrichten Hefwerktuigen Vermogen en rendement Verbrandingsmotoren Achter je pc Extra basisstof: Paardenkrachten onder de motorkap Elektromagnetisme 1 Een wisselspanning opwekken Elektrische energie transporteren Elektrische signalen Telecommunicatie Achter je pc Extra basisstof: While my guitar gently weeps Moleculen en gassen 1 Fasen en fase-overgangen Gasdruk en temperatuur Gasdruk en volume De algemene gaswet Achter je pc Extra basisstof: De stirlingmotor: al 200 jaar veelbelovend 162 Vaardigheden 164 Trefwoordenregister 184 5

8 Onze energie in huis komt grotendeels van elektriciteitscentrales en uit de gasleiding. Om de energievoorziening te kunnen garanderen wordt voortdurend aan de inzet van duurzame energiebronnen gewerkt. Basisstof 1 Energie omzetten Elektrische energie omzetten in warmte 75 3 Chemische energie omzetten in warmte 79 4 Elektriciteit opwekken 82 5 Energie in voedsel 86 Achter je pc 6 Achter je pc 89 Extra basisstof 7 Snoerloos samenleven 90 70

9 Energie Verwarmen en verlichten 71

10 1 Energie omzetten Misha beweert dat een gloeilamp eerder een kachel dan een lichtbron is. Weet jij hoe hij daarbij komt? Energiesoorten Je hebt al verschillende energiesoorten leren kennen: elektrische energie, chemische energie en warmte. Geluid en licht zijn ook voorbeelden van bepaalde soorten energie. Andere soorten zijn: - bewegingsenergie. Dit is de energie die elk bewegend voorwerp heeft (afbeelding 1). Deze soort wordt ook wel kinetische energie genoemd (van het Griekse kinèsis = beweging ). - zwaarte-energie. Dit is de energie die elk voorwerp heeft als het zich boven of onder een vooraf afgesproken hoogte (nulniveau) bevindt. Deze soort wordt ook wel hoogte- of potentiële energie genoemd. - stralingsenergie. Dit is de energie in straling zoals zichtbaar licht, IR- en UV-straling. afbeelding 1 Een waterwiel krijgt bewegingsenergie van het vallende water. Energiebronnen Energie wordt geleverd door een energiebron. Een energiebron kun je als een opslagplaats van energie beschouwen. Voorbeelden van energiebronnen zijn: de zon, fossiele brandstoffen zoals steenkool, een batterij en de wind. 72

11 Van sommige bronnen is maar een beperkte voorraad beschikbaar. Andere bronnen zijn in feite onuitputtelijk, zoals de zon en de wind. Die laatste energiebronnen noem je duurzaam. Energieomzetters Je merkt pas iets van energie als energie wordt omgezet van de ene soort in de andere. Met energie kun je iets tot stand brengen. Het woord energie is dan ook afgeleid van het Griekse en ( in ) en ergon ( werk ). Als zo'n omzetting in een apparaat gebeurt, werkt het apparaat. Zo werkt een föhn doordat elektrische energie wordt omgezet in bewegingsenergie van de weggeblazen lucht en in warmte van de gloeispiraal. Een föhn is dus een energie omzetter. Je kunt bij elke energieomzetter een energiestroomdiagram tekenen. In zo n diagram is aangegeven welke energiesoorten een rol spelen bij de omzetting en hoe groot hun aandeel is. In afbeelding 2 is het stroomdiagram van een gloeilamp getekend. Het diagram maakt duidelijk dat de elektrische energie voor het grootste deel wordt omgezet in warmte. Slechts een klein deel wordt omgezet in licht. Ook zie je dat er geen energie verloren gaat bij een omzetting: alle energie die het apparaat ingaat, wordt omgezet in andere vormen van energie. De omzetting gebeurt alleen niet volledig in de gewenste soorten. Bij een gloeilamp lukt dat zelfs bijna helemaal niet. Dat de totale hoeveelheid energie bij iedere omzetting voor en na de omzetting gelijk is, wordt de wet van behoud van energie genoemd. elektrische energie afbeelding 2 het energiestroomdiagram van een gloeilamp licht warmte De kwaliteit van energie Bij veel energieomzettingen verdwijnen waardevolle soorten energie. Daarvoor in de plaats krijg je vaak soorten energie terug waar je verder niet veel mee kunt. Je zegt dan dat de kwaliteit van de energie is gedaald. De elektrische energie die de gloeilamp bijvoorbeeld opneemt, is een waardevolle soort energie: allerlei apparaten werken op elektrische energie. Maar met de warmte die de gloeilamp afgeeft, kun je niet veel. Er zijn geen apparaten die werken op de warmte van een gloeilamp. Er wordt vaak gezegd dat je zuinig moet zijn met energie. Daarmee wordt bedoeld dat je zuinig moet zijn met waardevolle energie. De eenheid van energie Om energiebronnen en energiesoorten met elkaar te kunnen vergelijken moet je de energiehoeveelheid kunnen meten. Alle soorten energie worden gemeten in dezelfde eenheid: de joule (J). Een paar voorbeelden: Een gloeilamp van 25 W zet in één seconde 25 J elektrische energie om in warmte en licht. Om 1 L water te verwarmen van 20 C naar 100 C, is ongeveer 336 kj (kilojoule) warmte nodig. Bij de verbranding van 1 L benzine in een automotor komt ongeveer 33 MJ (megajoule) warmte vrij. 73

12 1 J is maar een heel kleine hoeveelheid energie. In plaats van de joule wordt dan ook vaak de kilojoule (kj) of de megajoule (MJ) gebruikt: 1 kj = 1000 J = 1, J; 1 MJ = J = 1, J. Maak nu de opgaven. Plus James Prescott Joule De eenheid van energie is genoemd naar James Prescott Joule (afbeelding 3), wiens naam je moet uitspreken als dzjoel. Deze Engelse amateur-natuurkundige is beroemd geworden door de proeven waarmee hij de omzetting van zwaarte-energie in warmte heeft gemeten. Hij ontwikkelde hiervoor een apparaat waarin een dalend gewicht een schoepenrad (in het groot zie je die bij oude watermolens) in een bak water aandreef. Het water werd hierdoor iets warmer. Met nauwkeurige thermometers (die hij zelf ontwierp) kon hij de zeer kleine temperatuurstijging meten. Op die manier kon hij laten zien dat er bij deze energieomzetting geen energie verloren gaat. Deze ontdekking leidde tot de formulering van de wet van behoud van energie. Omdat Joule niet bij een universiteit werkte, werd hij aanvankelijk niet door iedereen serieus ge nomen. afbeelding 3 James Prescott Joule ( ) 74

13 2 Elektrische energie omzetten in warmte Pim gebruikt het koffiezetapparaat om een kan heerlijke koffie te zetten. Hij vraagt zich af hoeveel energie dat kost. Weet jij hoe je dat kunt bepalen? Elektrische energie meten in joule Je hebt voor elektrische energie de eenheid kwh gebruikt. Maar je kunt de elektrische energie even goed meten in joule. Je moet dan in de formule E = P t het vermogen invullen in watt en de tijd in seconden. Je vindt dan de elektrische energie in joule. Dat komt zo mooi uit, omdat de eenheid van vermogen (W) afgeleid is van de eenheid van energie (J): 1 W = 1 J/s. elektrische energie 270 kj warmte 270 kj Voorbeeld Op een koffiezetapparaat staat 450 W. Hoeveel energie verbruikt het apparaat in tien minuten? E = P t = = J = 270 kj = 2, J Het verwarmingselement van het koffiezetapparaat levert, behalve warmte, geen andere soorten energie. De 270 kj elektrische energie wordt dus (volgens de wet van behoud van energie) volledig omgezet in 270 kj warmte (zie afbeelding 4). Helaas wordt niet al die warmte gebruikt voor het verwarmen van het water Ook het apparaat zelf wordt opgewarmd. Joule en kilowattuur Bij het meten van elektrische energie wordt nog steeds de eenheid kilowattuur (kwh) gebruikt. Deze eenheid kun je omrekenen in (mega)joule: 1 kwh = 1000 W 1 h = 1000 J/s 3600 s = 3, J = 3,6 MJ Toch staat nog steeds de kwh en niet de MJ op de elektriciteitsrekening. Volgens de elektriciteitsbedrijven is het gemakkelijker te blijven rekenen met de kwh. Bovendien zouden ze anders zes à zeven miljoen kwh-meters moeten ombouwen tot MJ-meters. De gemiddelde meter in Nederland geeft nog altijd elk jaar meer aan dan het jaar ervoor. Dat komt onder meer door sluipverbruik (afbeelding 5). afbeelding 4 Een koffiezetapparaat zet elektrische energie om in warmte. Sluipverbruik We krijgen er steeds meer elektrische apparaten bij, en deze gebruiken allemaal stroom. Soms gebruiken ze ook stroom als u ze niet gebruikt. Een aantal apparaten gebruikt namelijk ook stroom als de stekker gewoon in het stopcontact zit, maar het apparaat uit of op stand-by staat. Dit wordt sluipverbruik genoemd. Wij onderzochten het gemiddelde sluipverbruik van gezinnen. Een huishouden kan ongeveer 185,3 kwh besparen per jaar; dat komt neer op bijna 30,. Een aantal apparaten blijkt stroom te verbruiken terwijl ze volledig zijn uitgeschakeld. Dit komt door de aanwezigheid van lampjes of klokjes op apparaten, zoals de cd-speler, dvd-speler, router, modem. Ook kan een apparaat stroom verbruiken terwijl het wacht op een signaal van een afstandsbediening. afbeelding 5 Het sluipverbruik is groter dan je denkt. 75

14 afbeelding 6 de dwarsdoorsnede van een warmtemeter De warmtemeter Elektrische energie wordt onder andere gebruikt om water te verwarmen. Hoeveel warmte nodig is voor het verwarmen van een bepaalde hoeveelheid water kun je meten met een warmtemeter (afbeelding 6). Dit instrument heet ook wel calorimeter, naar het Latijnse woord calor ( hitte ). Een warmtemeter is een goed geïsoleerd bakje. Je kunt het water in de warmtemeter verwarmen met een elektrisch verwarmingselement. Door een deksel zijn een roerstaaf en een thermometer gestoken. Door af en toe te roeren zorg je ervoor dat het water gelijkmatig wordt opgewarmd. Met de thermometer kun je de temperatuur van het water meten. Omdat het bakje goed geïsoleerd is, wordt vrijwel alle warmte die het verwarmingselement produceert, door het water opgenomen. Voorbeeld Anouck doet 100 gram water in een warmtemeter en verwarmt het met een verwarmingselement van 12 W (afbeelding 7). Na 12 minuten is de temperatuur gestegen van 19 C naar 39 C. Hoeveel warmte heeft het water opgenomen? E = P t = = 8640 J = 8,6 kj Anouck meet dus dat er ongeveer 8,6 kj nodig is om het water 20 C warmer te maken. In werkelijkheid zal het iets minder zijn, want in de warmtemeter lekt ook een beetje warmte naar buiten. Soortelijke warmte Proef 1 Uit nauwkeurige proeven blijkt dat 4,2 J warmte nodig is om 1 g water 1 C in temperatuur te laten stijgen. Het maakt niet uit of de temperatuur stijgt van 11 C naar 12 C of van 78 C naar 79 C (afbeelding 8). De hoeveelheid warmte die nodig is om 1 g van een stof 1 C in temperatuur te laten stijgen, noem je de soortelijke warmte van die stof. De soortelijke warmte van water is dus 4,2 J/g C. Als symbool voor soortelijke warmte wordt de letter c gebruikt. Je kunt de vorige zin dus ook als volgt schrijven: c water = 4,2 J/g C. Uit de definitie van soortelijke warmte kun je de volgende formule afleiden: Q = c m ΔT (Q in J, c in J/g C, m in g, ΔT in C) Hierin is: Q de hoeveelheid toegevoerde of afgevoerde warmte; m de massa van de stof; ΔT het temperatuurverschil tussen de eindsituatie en de beginsituatie: ΔT = T eind T begin. afbeelding 7 Anouck aan het werk met een warmtemeter De soortelijke warmte is een stofeigenschap: elke stof heeft zijn eigen soortelijke warmte. In tabel 1 zie je de soortelijke warmte van water en enkele andere stoffen. 76

15 temperatuur ( C) tijd (min) afbeelding 8 Zo stijgt de temperatuur als je 100 g water verwarmt met een verwarmingselement van 12 W. Voor elke graad temperatuurstijging is even veel warmte nodig. tabel 1 de soortelijke warmte van enkele stoffen stof soortelijke warmte (in J/g C) alcohol 2,4 melk 3,9 olijfolie 1,65 water 4,2 baksteen 0,75 (eiken)hout 1,0 ijs 2,2 koper 0,39 zilver 0,24 lucht 2,4 Rekenen met soortelijke warmte Proef 2 Als je ervan uit mag gaan dat bij het verwarmen van stoffen alle warmte uit het verwarmingsapparaat in de stof gaat zitten (geen warmtelek), dan kun je met de formule gaan rekenen. Voorbeeld Een elektrische boiler (2,0 kw) verwarmt 50 L water van 10 C tot 50 C. Bereken hoe lang de boiler daarover doet. Ga er daarbij van uit dat alle elektrische energie wordt gebruikt om het water te verwarmen. 1 Bereken hoeveel warmte de boiler moet leveren: Q = c m ΔT = 4, = 8, J 2 Bereken de benodigde tijd. De boiler moet 8, J elektrische energie omzetten in 8, J warmte: E 8, t = = = 4, s = 70 minuten P 2, Maak nu de opgaven. 77

16 Plus Joule en calorie Tot halverwege de jaren zeventig werd algemeen de calorie (cal) gebruikt als eenheid van warmte. De calorie is gedefinieerd als: de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 g water 1 C in temperatuur te laten stijgen. Ga zelf na dat geldt: 1 cal = 4,2 J. De energiewaarde van voedsel werd tot voor kort opgegeven in kcal per 100 g. Vanaf 1 januari 1978 is de joule in Nederland de enige wettelijk erkende eenheid van energie (en dus ook van warmte). De calorie mag eigenlijk niet meer worden gebruikt. Er zijn echter veel mensen die moeilijk aan de nieuwe eenheid van energie kunnen wennen. Daarom worden op verpakkingen van levensmiddelen de energiewaarden vaak zowel in kj als in kcal opgegeven. In dieetprogramma s wordt zelfs uitsluitend de term calorie gebruikt. Het woord joule komt daar nooit voor. 78

17 3 Chemische energie omzetten in warmte Arlette wil water koken om thee te zetten. Dat kan met de fluitketel op het gasfornuis of met de elektrische waterkoker. Welke manier is het goedkoopst? Verbrandingswarmte Er zijn nogal wat warmtebronnen die warmte leveren door een brandstof te verbranden: een gaskachel, een theelichtje, een open haard, een cv-ketel, enzovoort. Daarbij wordt de chemische energie van de brandstof omgezet in warmte. Vaak is het handig te weten hoeveel warmte een bepaalde hoeveelheid brandstof kan leveren. Je moet dan de verbrandingswarmte van de brandstof kennen. Butagas heeft bijvoorbeeld een verbrandingswarmte van 110 MJ/m 3. Dat betekent dat er 110 MJ warmte vrijkomt als je 1 m 3 butagas verbrandt. In tabel 2 zie je de verbrandingswarmte van een aantal brandstoffen. Rendement Proef 3 In de verwarmingsketel van een cv-installatie wordt aardgas verbrand (afbeelding 9). De hete verbrandingsgassen die daarbij ontstaan, stromen langs buizen waar water doorheen stroomt: de warmtewisselaar. Ze staan daarbij een deel van hun warmte aan het water af. De overblijvende warmte verdwijnt met de rookgassen naar buiten. In afbeelding 10 zie je het energiestroomdiagram van een verwarmingsketel. Je ziet dat 85% nuttig wordt gebruikt. Men zegt dan dat deze verwarmingsketel een rendement heeft van 85%. tabel 2 de verbrandingswarmte van enkele brandstoffen soort brandstof verbrandingswarmte hout 16 MJ/kg steenkool 29 MJ/kg benzine 33 MJ/L spiritus 18 MJ/L stookolie 40 MJ/L aardgas* 32 MJ/m 3 butagas* 110 MJ/m 3 methaan* 36 MJ/m 3 propaan* 94 MJ/m 3 * bij 0 C en 100 kpa afvoer rookgassen chemische energie verloren warmte warmte opgenomen door het water warmtewisselaar lucht naar radiatoren van radiatoren cv-ketel gas brander afbeelding 10 energiestroomdiagram van een cv-ketel afbeelding 9 de dwarsdoorsnede van een cv-ketel 79

18 Je kunt het rendement berekenen met de formule: hoeveelheid nuttig gebruikte energie rendement = 100% totale hoeveelheid omgezette energie Of in symbolen: E nut η = 100% E op gas water E op is in het geval van de verwarmingsketel de warmte die vrijkomt bij de verbranding van het aardgas. E nut is het deel van de warmte dat door het water wordt opgenomen. Het rendement van een geiser bepalen Met de opstelling die in afbeelding 11 getekend is, kun je het rendement van een gasgeiser bepalen. Je moet de geiser daarvoor enkele minuten laten werken. Op de gasmeter kun je aflezen hoeveel m 3 aardgas verbrand is. Op de schaalverdeling van het bekerglas kun je aflezen hoeveel L water opgewarmd is. Met de thermometer kun je meten hoeveel C het water in temperatuur stijgt door de temperatuurstijging van het water te meten. afbeelding 11 Zo bepaal je het rendement van een geiser. Voorbeeld Een geiser verbrandt in 4 min 0,12 m 3 aardgas. In die 4 minuten wordt 11 L water verwarmd van 18 C tot 72 C. Bereken het rendement van de geiser. 1 Bereken E op. Er is 0,12 32 = 3,8 MJ = 3, J warmte vrijgekomen. Daarbij gaan we er voor het gemak van uit dat de verbrandingswarmte van aardgas niet afhankelijk is van druk en temperatuur (tabel 2). 2 Bereken E nut. Er is 4, = 2, J warmte door het water opgenomen. 3 Bereken het rendement. E nut 2, η = 100% = 100% = 66% E op 3, Maak nu de opgaven. 80

19 Plus Koken in ontwikkelingslanden In ontwikkelingslanden koken nog veel mensen op primitieve fornuizen waarin hout wordt verbrand. Voor veel van die mensen wordt het vinden van branhout in hun directe omgeving steeds moeilijker. Door de houtkap is het landschap dor geworden en verdwijnen flora en fauna. Bovendien zijn de fornuizen vaak primitief en gaan niet zuinig om met de chemische energie die in het hout zit. Een ander probleem is dat door de slechte verbranding de lucht in de huizen ongezond wordt. Westerse onderzoekers hebben al jaren geleden veel efficiëntere fornuizen ontwikkeld, maar helaas dringen die nog niet overal door in de derde wereld. Het is belangrijk dat de constructies van lokale materialen kunnen worden gemaakt, lang meegaan en eenvoudig kunnen worden gerepareerd. Er zijn ook kooktoestellen bedacht waarvoor helemaal geen hout meer nodig is. Omdat in arme landen vaak veel zonne-energie voorhanden is, zijn simpele maar doeltreffende zonneovens bedacht (afbeelding 12). afbeelding 12 koken met de zon 81

20 4 Elektriciteit opwekken Erik woont in de buurt van een elektriciteitscentrale. Hij vraagt zich af hoe daar de elektriciteit wordt opgewekt. Weet jij dat? De elektriciteitscentrale De elektrische energie die je thuis gebruikt, wordt opgewekt in een elektriciteitscentrale. Zo n centrale is in zijn geheel één grote energieomzetter. In afbeelding 13 zie je het energiestroomdiagram van een conventionele (meest gebruikelijke) elektriciteitscentrale. Je ziet dat de centrale chemische energie omzet in (uiteindelijk) elektrische energie en warmte. De benodigde chemische energie wordt geleverd door fossiele brandstoffen (aardgas, kolen of olie). afbeelding 13 het energiestroomdiagram van een elektriciteitscentrale chemische energie elektrische energie 230 MJ afvalwarmte 370 MJ elektriciteitscentrale 600 MW De werking van een elektriciteitscentrale In afbeelding 14 zie je hoe een conventionele elektriciteitscentrale werkt: 1 Door de branders wordt een brandstof verbrand. Met de vrijkomende warmte wordt het water in de ketel verhit. Op die manier ontstaat stoom (waterdamp) met een temperatuur van ongeveer 500 C bij een zeer hoge druk. 2 De stoom spuit met grote snelheid tegen de schoepen van een turbine. Daardoor gaat de as van de turbine ronddraaien. 3 Aan de as van de turbine is een generator gekoppeld. Als de as van de turbine draait, wordt er in de generator stroom opgewekt. 4 De afgewerkte stoom (die inmiddels een veel lagere temperatuur en druk heeft gekregen) wordt naar de condensor geleid. Daar condenseert de stoom. Het water wordt vervolgens naar de ketel teruggepompt. In de condensor wordt koelwater gebruikt om de stoom te laten condenseren. Dat koelwater wordt meestal uit een rivier of een meer gehaald. Op plaatsen waar niet genoeg open water is, wordt het koelwater steeds opnieuw gebruikt. In dat geval laat men het koelwater na gebruik afkoelen in koeltorens (afbeelding 15). Daarin staat het koelwater zijn warmte af aan de lucht. 82

21 afbeelding 14 Zo ziet een conventionele elektriciteitscentrale er vanbinnen uit. stoomturbine generator transformator water lucht branders regelkamer brandstof koelwater condensor afbeelding 15 de koeltorens bij een centrale Het rendement van een elektriciteitscentrale De meeste elektriciteitscentrales hebben een rendement van ongeveer 40%. Dat wil zeggen dat 40% van de chemische energie die erin gaat, uiteindelijk wordt omgezet in elektrische energie. De resterende 60% wordt als afvalwarmte door het koelwater afgevoerd. In sommige steden wordt die afvalwarmte gebruikt voor stadsverwarming. Het hete koelwater wordt dan in grote pijpen naar een woonwijk getransporteerd. Daar wordt het door de radiatoren van de woonhuizen gepompt. Er zijn ook fabrieken die zelf hun eigen elektriciteit opwekken en de afvalwarmte gebruiken om er iets mee te verwarmen. In een suikerfabriek, bijvoorbeeld, wordt afvalwarmte gebruikt voor het koken van de suikeroplossing. Je zegt dan dat zo n fabriek gebruikmaakt van warmtekrachtkoppeling (afbeelding 16). Door stadsverwarming en warmtekrachtkoppeling kan het (totale) rendement van een centrale meer dan tweemaal zo hoog komen te liggen. In de toekomst zullen er kleine warmtekrachtcentrales in huizen en bedrijfspanden staan. Brandstoffen voor centrales Proef 4 In Nederland worden allerlei energiebronnen gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Verreweg het belangrijkst zijn op dit moment fossiele brandstoffen. Deze zijn aantrekkelijk omdat ze een grote energiedichtheid hebben. Energiedichtheid is de hoeveelheid energie die een energiedrager (benzine, accu, enzovoort) per kilogram kan leveren. Soms worden biobrandstoffen (zoals houtsnippers) of afval als brandstof gebruikt, al dan niet vermengd met fossiele brandstoffen. Warmte/kracht Op Texel staat sinds enige tijd een kleine warmtekrachtcen trale met een hoogrendement. De centrale heeft een capaciteit van 500 kilowatt en zet 85 tot 90 procent van de energie om in warmte en stroom. Conventionele centrales hebben gemiddeld een rendement dat de helft kleiner is. De centrale haalt een hoog rendement doordat de motor van de installatie, een dieselmotor ontwikkeld in Finland, de eigen warmte en die van de uitlaatgassen gebruikt. Bron: De Texelbode afbeelding 16 warmtekrachtkoppeling op Texel 83

22 Kernbrandstoffen In de kerncentrale in Borssele wordt uranium gebruikt. Bij kernreacties in het uranium ontstaat warmte die wordt gebruikt om stoom te maken. Het materiaal dat na het gebruik in de kerncentrale overblijft, het zogenoemde kernafval, is erg radioactief: het zendt straling uit die gevaarlijk is voor organismen. Dit radioactieve afval moet zeer lang en op een veilige wijze worden opgeslagen om te voorkomen dat het in ons leefmilieu terechtkomt. De kerncentrale in Borssele neemt maar een paar procent van de totale elektriciteitsproductie van Nederland voor haar rekening. In sommige landen is het aandeel van kernenergie veel groter: in Frankrijk is het bijvoorbeeld meer dan 70%. Een deel van de Franse elektriciteit uit kernenergie wordt naar Nederland geëxporteerd. Duurzame energiebronnen Duurzame energiebronnen zijn wind, waterkracht en zonlicht. Duurzaam betekent dat deze bronnen niet opraken, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen. De energie in duurzame bronnen is direct beschikbaar. Dat voel je als je in de zon zit of bij het fietsen de wind in je rug hebt. Daar staat tegenover dat het op dit moment nog vrij duur is om deze energie in elektrische energie om te zetten. In ons land is het aandeel van deze bronnen in de opwekking van elektrische energie nog maar een paar procent. De overheid wil dat dit aandeel in het jaar % is. In bijvoorbeeld Denemarken is het nu al meer dan 10%. Wind In een windmolen (of windturbine) wordt de bewegingsenergie van lucht gebruikt om een generator te laten draaien. Er worden in Nederland steeds meer windmolens geplaatst, ook in zee. Toch konden in 2008 alle windmolens samen maar maximaal 230 MW aan elektrische energie opwekken. Vergelijk dat met het vermogen van grote conventionele elektriciteitscentrales in ons land: die kunnen elk meer dan 1200 MW leveren. afbeelding 17 waterkrachtcentrale in de Rijn bij Maurik Waterkracht In een waterkrachtcentrale wordt de zwaarte-energie van water gebruikt (afbeelding 17). Terwijl het water van een hoge naar een lagere plek gaat, brengt het enkele waterturbines in beweging. Deze drijven op hun beurt de generatoren van de centrale aan. Het opgewekte vermogen hangt af van het verval (het hoogteverschil van het water voor en na de centrale) en het debiet (de hoeveelheid water die per seconde door de centrale stroomt). In Nederland staan enkele waterkrachtcentrales die samen een relatief gering vermogen van zo n 37 MW hebben. De elektriciteitsproductie bedroeg 102 miljoen kwh in 2008, genoeg om ongeveer huishoudens van elektrische energie te voorzien. 84

23 Zonlicht In afbeelding 18 zie je een paneel met zonnecellen. De meest gebruikte zonnecel bestaat uit twee lagen silicium. Het zonlicht dat op een paneel valt, wordt door de cellen (voor een deel) omgezet in elektrische energie doordat er elektronen van de ene laag naar de andere oversteken. Hierdoor ontstaat er een spanning tussen de boven- en de onderkant en kan de zonnecel net als een batterij elektrische energie leveren. Dit proces heet fotovoltaïsche omzetting. In de situatie op de foto wordt de elektrische energie gebruikt om water in een drinkbak te pompen. Het aandeel van zonlicht in de productie van elektriciteit is nu nog erg klein: in 2007 zo n 0,03% van de totale elektriciteitsproductie. De overheid stimuleert echter het onderzoek naar verbetering van het rendement van zonnecellen. Ze hoopt dat er in MW aan zonnepanelen staat opgesteld, genoeg om huishoudens van elektrische energie te kunnen voorzien. Maak nu de opgaven. afbeelding 18 drinkbak in het zonnetje Plus Zonnebos Het project Zonnebos Bussloo is een voorbeeld van creatief gebruik van zonne-energie (afbeelding 19). Het bos bestaat uit zogenoemde zonnebomen. Dit zijn constructies in de vorm van bomen van verschillende hoogten. Elke boom is voorzien van 125 m 2 transparante zonnepanelen waarmee zonne-energie wordt opgewekt, voldoende om 1400 tot 2000 huishoudens van elektriciteit te voorzien. De zonnebomen zijn tussen de bestaande bomen geplaatst op een oppervlakte van circa 6 hectare op recreatiegebied Bussloo. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt als bescherming tegen zon en regen. afbeelding 19 zonnebomen 85

24 5 Energie in voedsel Mireille gebruikt voornamelijk zogenaamde light-producten. Wat maakt deze producten zo light? tabel 3 de energiewaarde van een aantal voedingsmiddelen voedingsmiddel energiewaarde per 100 g (in kj) aardappels 325 appels 211 bananen 375 bier 176 bloemkool 60 bruinbrood 1048 bruine bonen 458 chips 2286 cola 187 cola light 5 eieren, gekookt 646 frisdrank 163 fritessaus 1553 jam 1027 kaas 1601 komkommer 34 kroket 1276 leverworst 1337 margarine 3009 melk (volle) 263 patates frites 1297 pasta, gekookt 481 pinda s 2609 rijst, gekookt wit 623 slagroom 1388 sperziebonen 152 spinazie 70 spruitjes 108 suiker 1683 varkensvlees 468 De energiewaarde van voedsel Als je gezond bent, is je lichaamstemperatuur ongeveer 37 C. Om op die temperatuur te blijven, moet je lichaam voortdurend warmte produceren. Dat doet het door voedingsstoffen te verbranden. Daarbij wordt chemische energie uit voedsel omgezet in warmte. Je kunt je lichaam dus tot op zekere hoogte vergelijken met een kachel. In je lichaam worden brandstoffen verbrand, net als in een kachel. Er is wel één belangrijk verschil: de verbranding in je lichaam verloopt langzaam en zonder vlammen. Op veel levensmiddelen wordt tegenwoordig de energiewaarde aangegeven. Op het etiket staat dan hoeveel energie 100 g of 100 ml van het voedsel kan leveren. Je kunt de energiewaarde vergelijken met de verbrandingswarmte. In tabel 3 zie je de energiewaarden van een aantal voedingsmiddelen. Light -versies van een bepaald voedingsproduct hebben een lagere energiewaarde. Daarin zijn suikers en vetten verminderd of vervangen door alternatieve stoffen met een lagere energiewaarden zoals bijvoorbeeld zoetstoffen in frisdranken (afbeelding 20). afbeelding 20 gewoon en light 86

25 Wat eet een renner per dag tijdens de Tour de France? Aantal MJ Het ontbijt: een liter vruchtensap, eieren, witte rijst, ham, kaas, muesli, honing, brood met boter, marmelade en yoghurt. 3,8 Onderweg eet de renner twee keer: volkorenbroodjes, gebak, energie-repen, fruit en veel vocht. Hij drinkt per uur een halve liter water of isotone drank om de zouten aan te vullen die het lichaam door transpiratie verliest. Af en toe neemt hij vloeibare glucose. 7,6 Na de race eet de renner een bord muesli met yoghurt. Het diner bestaat uit een bord pasta, salade, vlees, aardappelpuree en water. 6,3 17,7 (ter vergelijking: iemand met een kantoorbaan verbruikt tussen de 7,7 en 9,2 MJ per dag) afbeelding 21 Dit eet een wielrenner zoal op een tourdag. Je gebruikt de chemische energie in je voedsel niet alleen om je lichaam op temperatuur te houden. Je hebt ook chemische energie nodig om je te kunnen bewegen: je spieren verbruiken die energie als ze zich samentrekken. Hoe meer je beweegt en je inspant, des te meer chemische energie zul je verbruiken (afbeelding 21). Je energiebehoefte De gemiddelde energiebehoefte van een meisje van 14 jaar is 9,6 miljoen joule per dag. Een jongen van 14 jaar heeft elke dag gemiddeld 12,6 miljoen joule nodig. Je voedsel moet genoeg energie leveren om aan je energiebehoefte te voldoen. Als je voedsel meer chemische energie bevat dan je verbruikt, wordt het teveel opgeslagen in je lichaam. Er vormt zich dan vet, een reservevoorraad chemische energie. Als je niet te dik wilt worden, moet je dus letten op de energiewaarde van wat je eet. Maak nu de opgaven. 87

26 Plus De bomcalorimeter Om de energie-inhoud van voedingsstoffen te bepalen, wordt een bomcalorimeter gebruikt (afbeelding 22). In deze calorimeter wordt de verbrandingswarmte van een bepaalde hoeveelheid voedsel bepaald. Dat werkt als volgt. In een plastic zakje (met bekende massa en verbrandingswarmte) wordt een paar gram voedsel nauwkeurig gewogen. Dit wordt vervolgens in een cupje gedaan. Het cupje wordt omwikkeld met katoen en ijzerdraad waarvan ook de verbrandingswarmte nauwkeurig bekend zijn. Het katoen en het ijzerdraad (waar een flinke stroom doorheen gaat lopen) zorgen voor de verbranding van het voedsel en verbranden zelf mee. Vervolgens wordt het geheel in de bom geplaatst. Deze wordt gevuld met zuivere zuurstof onder een druk van 30 bar ( hpa). De bom wordt in de opstelling gezet die omgeven is met een watermantel van een nauwkeurig bekende temperatuur. Ongeveer 15 minuten na de verbranding van de inhoud van het cupje wordt de temperatuurstijging van de watermantel gemeten. Hieruit kan dan met alle andere bekende gegevens de verbrandingswarmte van de voedingsstof worden berekend. afbeelding 22 een bomcalorimeter 88

27 ACHTER JE PC Hoofdstuk 4 Energie 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 vragen zijn nagenoeg dezelfde als de leerstofvragen bij dat hoofdstuk in je opdrachtenboek. De instaptoets is beschikbaar via je epack. Adviestoets Met behulp van een toets kun je nagaan hoe goed je de stof beheerst. Als je de toets via je epack maakt, krijg je een automatische score. Daarna krijg je advies wat je verder kunt doen. De Adviestoets is een elektronische versie van de Test Jezelf uit je opdrachtenboek. Begrippen De belangrijkste begrippen zijn opgenomen in je epack. Van deze begrippen is een omschrijving opgenomen. IP-Coach Een aantal practica is ook uit te voeren met behulp van IP-Coach. Deze experimenten zijn toegankelijk via je epack. Vaardigheden De vaardigheden ook die van vorig jaar vind je op je epack. Een aantal is opgenomen achterin dit boek. Computerles De leerdoelen van dit hoofdstuk kun je voor een 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. 89

28 EXTRA BASISSTOF Hoofdstuk 4 Energie 7 Snoerloos samenleven Laptop, mobieltje, camera en mp3-speler: ze moeten al snel worden opgeladen. In veel landen wordt koortsachtig gewerkt aan een accu die het langer uithoudt. Het draagbare leven is besmettelijk. Aan het strand bellen, in de trein mailen en je op straat laten gidsen door navigatiesatellieten, iedereen wil het. En die mobiele samenleving werkt op oplaadbare batterijen. Om de vraag bij te houden gooit de industrie er jaarlijks een schepje bovenop. Alleen al in Nederland werden in 2006 ruim 37 miljoen oplaadbare batterijen en accu s verkocht. En die batterijen moeten natuurlijk zo lang mogelijk meegaan. Een Chinees-Amerikaanse onderzoeker slaagde erin de opslagcapaciteit van de gangbare lithium-ion-accu s in laptops met een factor tien te verbeteren. Een onderzoeker aan de TU Delft en gespecialiseerd in accu s, kent het onderzoek van zijn collega wel. Ik snap waarmee hij bezig is. Maar tien keer meer opslagcapaciteit voor de totale accu? Daar twijfel ik aan. Vier keer zo veel zou al heel mooi zijn. Opslagcapaciteit De opslagcapaciteit van ook de beste accu s is beperkt. Eigenlijk wacht de hele wereld op een accudoorbraak. De auto-industrie zou in zijn elektrische en hybride auto s graag accu s willen inbouwen die lichter zijn en het toch langer blijven doen. En wie zijn energie uit windmolens of zonnepanelen haalt, zou accu s willen hebben waar je heel veel energie in kunt opslaan voor als het eens niet waait of mooi weer is. De wereld wacht op accudoorbraak afbeelding 23 Van accu s wordt steeds meer verwacht. 90

29 EXTRA BASISSTOF Hoofdstuk 4 Energie De tegenwoordig meest gebruikte accu s in mobiele apparatuur zijn de nikkel-metaalhydride-accu en de lithium-ion-accu. Van die twee is de lithium-ion-accu aan een onstuitbare opmars bezig. Hij zit in laptops en mobiele telefoons. Deze accu heeft veel voordelen boven de accutypen die daarvóór in gebruik waren: loodaccu s, nikkelcadmium-accu s en nikkelmetaalhydride-accu s. Belangrijkste voordeel: een hogere energiedichtheid, dus meer energie per kilo. Daar komt elk jaar wel iets bij. Dat is eigenlijk te weinig om de mobilisering van het dagelijks leven bij te houden. Elke verbetering van de accu s wordt onmiddellijk opgesoupeerd doordat de mobiele gadgets steeds meer willen en kunnen: grotere kleurenschermen, beter geluid en combinaties van functies, zoals mp3-spelers op telefoons en draadloze verbindingen tussen camera s en computers. Met litertje alcohol draait laptop dagenlang Brandstofcel Van alles is er al bedacht. Nog maar een paar jaar geleden kon je horen dat in 2008 de brandstofcel zijn intrede zou doen in de laptop. Een brandstofcel is een soort accu die je niet oplaadt met netstroom, maar waar je een brandstof in giet: diesel, benzine, alcohol of in een heel geavanceerde variant waterstof. In de brandstofcel wordt de brandstof geruisloos en direct in elektriciteit omgezet. Brandstofcellen worden al gebruikt in de watersport en ook het leger gebruikt ze. Je profiteert dan van de hogere energiedichtheid van de toegevoerde brandstof. Met een litertje alcohol kun je dagenlang je laptop laten draaien. Maar, zegt een Delftse onderzoeker, ik weet het niet hoor. Zo n cel werkt met een hoge bedrijfstemperatuur, ongeveer 200 graden. Dat zou ik niet in mijn laptop willen hebben. Laat staan in een mobiele telefoon in mijn broekzak. Steekvlammen Toen twee jaar geleden een paar laptopaccu s onklaar raakten en vlam vatten, scheerde de accuindustrie langs de rand van de afgrond. Het had ook het voorlopig einde van de lithium-ion-techniek kunnen betekenen. De hoge energiedichtheid heeft namelijk wel een prijs. Als er een inwendige kortsluiting in een lithium-ionaccu ontstaat, is er geen houden aan. De temperatuur stijgt en het inwendige membraam smelt. De opgeslagen chemische energie is geen kalm elektrisch stroompje meer, maar baant zich in de vorm van felle steekvlammen een weg naar buiten. Dat is de voornaamste reden dat lithium-ion-accu s nog niet in auto s worden toegepast. Met brandstofcellen is dat risico zeker zo groot. Op dit moment biedt de nanotechniek het meeste perspectief: de toepassing van heel kleine stukjes silicium of tin. Daardoor kan de lithium-ion-accu veel meer lithium bevatten en dat vergroot de capaciteit van de accu. Vrij naar: NRC Next Maak nu de opgaven. 91