Samenvatting Natuurkunde Hoofdstuk 3: energie en warmte Samenvatting door E. 1500 woorden 6 maart 2014 5,7 16 keer beoordeeld Vak Methode Natuurkunde Systematische natuurkunde Energie en warmte 3.1 warmte en temperatuur; het molecuulmodel Warmte is de hoeveelheid energie die verplaatst wordt van voorwerpen met een hoge temperatuur naar voorwerpen met een lage temperatuur. Alle voorwerpen zijn gemaakt van een stof (materie), die weer is opgebouwd uit kleine deeltjes (moleculen). Eigenschappen zijn te verklaren met het molecuulmodel. moleculen trekken elkaar aan Er zit ruimte tussen moleculen (intermoleculaire ruimte) Moleculen in een stof bewegen voortdurend, ze hebben kinetische energie De temperatuur van een stof is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de moleculen. Er bestaan drie fasen (aggregatietoestanden) van een stof. Vaste fase: Moleculen voeren met hoge frequentie trillingen uit om vastliggende evenwichtsstanden. De stof heeft een eigen vorm, de intermoleculaire ruimte is erg klein en aantrekkingskracht heel groot. Vloeibare fase: Moleculen bewegen door de gehele stof heen, de stof heeft geen eigen vorm. De ruimte tussen de moleculen is iets groter. Gasvormige fase: De ruimte tussen de moleculen is zo groot dat de aantrekkende krachten te verwaarlozen zijn. Door energie aan een stof toe te voegen of te onttrekken ontstaat een faseovergang. De temperatuur kan niet verder meer dalen als de moleculen geen kinetische energie meer hebben. Dit gebeurt bij een temperatuur van -273 graden Celcius of 0 graden Kelvin. 3.2 warmtetransport Warmtegeleiding Pagina 1 van 5
Het proces waarbij warmte door de stof heen wordt getransporteerd. Door energietoevoeging aan 1 uiteinde van een stof krijgen moleculen kinetische energie en gaan ze trillen. De trilling wordt doorgegeven aan naburige moleculen, net zo lang tot de energie, warmte dus, het andere uiteinde van de stof heeft bereikt. Vloeistoffen en gassen zijn slechte geleiders vanwege de grotere ruimte tussen de moleculen. Vaste stoffen die elektriciteit geleiden zijn ook goede geleiders vanwege de vrije elektronen. Warmtestroming Warmte wordt getransporteerd. Bij bijvoorbeeld een van onder verwarmde reageerbuis ontstaat een stroming omdat de verwarmde moleculen omhoog gaan en de koudere moleculen naar beneden. Dit vanwege het verschil in dichtheid. Bij warmtestroming gaat de warmte altijd met de moleculen mee naar boven. Warmtestraling Er zijn geen moleculen nodig bij deze vorm van warmtetransport. Wanneer de warmtestraling op een voorwerp valt, absorbeert het voorwerp een gedeelte van de stralingsenergie. Donkere voorwerpen absorberen straling beter dan lichtgekleurde voorwerpen. Warmte isolatie; slecht warmtetransport Warmte-isolatie is het verhinderen an energieverlies via warmtegeleiding, warmtestroming en warmtestraling. Een thermoskan is isolerend omdat er een losse fles inzit, meestal gemaakt van glas. Tussen het glas en de buitenste fles is vacuüm gezogen en de zilverkleurige folie aan de binnenkant weerkaatst de warmtestraling. Glaswol bestaat uit dunne glazen draden die vastzitten aan aluminiumfolie. Door de vele draden kan de lucht tussen de draden niet stromen. Zowel glas als lucht zijn slechte geleiders dus er is weinig energieverlies. Warmtestraling wordt weerkaatst door het aluminiumfolie. Centrale verwarming: goed warmtetransport Om de warmte in huis van de ketel naar de huiskamer te brengen wordt gebruik gemaakt van warmtegeleiding, warmtestroming en -straling. De ketel is de warmtebron, die zijn warmte door de metalen wand van de buizen naar het water in de buizen transporteert dmv warmtegeleiding. De opgenomen warmte wordt door het stromende water meegenomen van ketel naar radiator; warmtestroming. In de radiator wordt de warmte afgegeven (warmtegeleiding) aan het metaal en metaal aan de lucht. Ook straalt de radiator warmte uit. 3.3 Warmte opnemen en afstaan Soortelijke warmte De soortelijke warmte van een stof geef de hoeveelheid warmte aan die nodig is een één kilogram van die stof één graad Celsius te laten stijgen. De formule is Q = c m T Pagina 2 van 5
Q is hoeveelheid energie in J c is de soortgelijke warmte in J/kg/ºC m is massa in kg T i s temperatuurverschil in graden Celsius Warmtecapaciteit Bij experimenten met een Joule-meter neemt de meter ook een niet verwaarloosbare hoeveelheid warmte op. Omdat de meter uit verschillende stoffen bestaat spreken we van warmtecapaciteit. Dit wordt aangegeven met C en uitgedrukt in J/ºC of J/K. De formule is C = Q / T Hieruit volgt dat Q = C T Energiebalans Als er geen warmte verloren gaat is de totale hoeveelheid energie gelijk aan de energie die afgestaan wordt, bijvoorbeeld: Emagnetron = Qwater + Qbeker. De opgenomen warmte is gelijk aan de afgestane warmte: Qop=Qaf. 3.4 Rendement en duurzame energie Rendementsverbetering Het rendement n is gedefinieerd als het percentage nuttig gebruike energie. n = E nuttig /E in * 100% of n = P nuttig /P in * 100% Hierin is E nuttig de hoeveelheid energie die het apparaat nuttig gebruikt en E in de totale hoeveelheid energie die aan het apparaat wordt toegevoerd. Aangezien dit altijd in dezelfde tijdsduur gebeurt, kan je het rendement ook definieren met P. Rendement bij een centrale verwarming Bij een ketel wordt aardgas verbrand. Een deel van deze warmte gaat verloren omdat het direct de schoorsteen uitgaat. Door het koude water uit de ketels te verwarmen met de gassen, hoeft er minder aardgas verbrand te worden en dus stijgt het rendement. Een hr-ketel heeft een rendement van 90%. Rendement bij elektriciteitscentrales Het rendement van een centrale kan op enkele manieren verhoogd worden. In een STEG (stoom en gas)-centrale wordt aardgas verbrand. De verbrandingsgassen die een hoge temperatuur en druk hebben drijven een turbine aan. Maar met de hitte van de gassen wordt ook water verhit. In een warmtekrachtkoppelingsinstallatie (WKK) wordt elektriciteit opgewekt en warmte voor verwarming geproduceerd. Deze installaties zijn vaak kleinschalig en worden ingezet voor stadsverwarming en door grote bedrijven. Pagina 3 van 5
Duurzame energie Energie die verkregen wordt uit bronnen die niet uitdoven wordt duurzame energie genoemd. Zo n energiebron is de wind of de stralingsenergie van de zon. Broeikaseffect Een gedeelte van de straling van de zon is infraroodstraling. Hiervan wordt een gedeelte geabsorbeerd. Dit gebeurt onder andere door het gas CO2. Energiebronnen waarbij geen CO2 vrijkomt dragen dus niet bij aan het broeikaseffect. 3.5 Energiehuishouding van het menselijk lichaam Energie en voedsel De afbraak van voedingsstoffen is de eerste stap in een keten van reacties die leiden tot de productie van warmte en spierarbeid. Het lichaam krijgt energie door adenosinetrifosfaat (ATP, met drie fosfaatgroepen) om te zetten in adenosinedifosfaat (ADP, twee fosfaatgroepen). De reactie is ATP > ADP en hier komt warmte bij vrij. ATP wordt niet alleen omgezet in ADP, dan raakt de voorraad te snel uitgeput. Deze voorraad wordt aangevuld met behulp van de energie verkregen uit voedingsstoffen. De omzetting van ADP naar ATP Als een spier arbeid gaat leveren wordt in eerste instantie de voorraad ATP in de spiercel aangesproken. Dit is proces 1. Deze voorraad is na een paar seconden verbruikt. De enrgie die nodig is om ADP om te zetten in ATP wordt verkregen met behulp van een aantal andere soorten moleculen in de spiercel. Dit zijn o.a. moleculen van de voedingsstoffen als vetten eiwitten koolhydraten en moleculen van glucose glycogeen verzuren kreatine en kreatinefosfaat. Deze stoffen ontstaan door verbranding. De volgende processen zijn daarvoor van belang. Proces 2 In de cel vindt de volgende evenwichtsreactie plaats: ADP + kreatinefosfaat <=> ATP + kreatine. Wanneer extra energie gevraagd wordt zal meer ADP en kreatine worden omgezet. Deze reactie verloopt snel. Dit proces verloopt zonder dat er zuurstof nodig is. Proces 3 Er wordt ondertussen meer glycogeen omgezet in andere stoffen. De energie die hierbij vrijkomt helpt om meer ADP in ATP om te zetten. De omzetting van glycogeen verloopt ook zonder zuurstof. Proces 4 Ten slotte worden losse glucose en verzuren afgebroken om energie te leveren. Voor afbraak van glucose en vetzuren is wel zuurstof nodig. Zo n omzetting heet verbranding. De voorraden van kreatinefosfaat en glycogeen in de spieren worden weer aangevuld als er geen inspanning wordt verricht, net als de voorraden glucose en vetzuren. De kreatinefosfaat ontstaat omdat de eerder genoemde Pagina 4 van 5
evenwichtsreactie nu naar links verloopt tot een nieuw evenwicht is bereikt. Nog steeds wordt door dietisten en door voedselproducenten de hoeveelheid energie die geleverd wordt door voedingsmiddelen uitgedrukt in de verouderde eenheid kilocalorie. Het verband tussen een kilocalorie en een kilojoule is 1 kcal = 4,18 kj. Basaal metabolisme Het basaal metabolisme is de energie die ons lichaam nodig heeft om te blijven bestaan. Dit is afhankelijk van bouw, leeftijd en geslacht. Omdat de door ons lichaam geleverde energie per tijdseenheid wordt weergegeven kan gesproken worden van het geleverde vermogen van het lichaam. Lichaamstemperatuur De energie die vrijkomt bij omzetting ATP > ADP wordt slechts voor ongeveer een vijfde deel omgezet in arbeid. De rest komt vrij in de vorm van warmte. Deze warmte moet worden afgevoerd. Als het lichaam het te koud krijgt moet er door extra spiersamentrekkingen warmte worden geproduceerd. Pagina 5 van 5