Samenvatting Natuurkunde Verwarmen en isoleren (Newton) Samenvatting door een scholier 1404 woorden 25 augustus 2003 5,4 75 keer beoordeeld Vak Natuurkunde Verwarmen en isoleren Warmte en energie 2.1 Energievraag en aanbod - Voor het uitvoeren van veel taken in het huis is energie nodig. Een verwarmingstaak vraagt energie in de vorm van warmte, een verlichtingstaak vraagt energie in de vorm van licht. - Energieaanbod: Een apparaat levert deze energie maar kan deze energie alleen leveren als er aan het apparaat energie wordt toegevoegd: chemische energie (in aardgas) of elektrische energie. Het apparaat zet energie om van de ene vorm in de andere. Bij zo n energieomzetting gaat altijd energie verloren in de vorm van afvalwarmte. Het rendement is dus altijd kleiner dan 1 of 100%. 2.2 Warmtetransport - De energie moet ook nog op de goede plaats terecht komen. Bij verwarmingstaken is er sprake van warmtetransport (bijv. c.v.). Hoe groter het temperatuurverschil tussen twee plaatsen is, hoe groter het warmtetransport is. Warmtetransport kan op drie manieren plaatsvinden: Geleiding: Warmte verplaatst zich goed door een vaste stof (metaal); Stroming: Warmte verplaatst zich door middel van een stromende vloeistof of stromend gas; Straling: Warmte verplaatst zich in de vorm van infraroodstraling door vacuüm of lucht. Warmte-isolators: Geleiden warmte slecht (bijv. glas, steen, hout, kunststof, stilstaande lucht). 2.3 Energieverbruik - Chemische energie is opgeslagen in fossiele brandstoffen (steenkool, aardolie en aardgas). Bij het verbranden (1000ºC of hoger) komt deze energie vrij in de vorm van warmte. - De verbrandingswarmte rv geeft aan hoeveel chemische energie Ech er vrijkomt bij het verbranden van 1 kg vaste stof of 1 m3 vloeibare of gasvormige brandstof. De waarde van de verbrandingswarmte hangt uiteraard af van de soort brandstof. Pagina 1 van 5
- Met deze gegevens is er uiteraard een verband op te stellen tussen de verbrandingswarmte rv en de hoeveelheid chemische energie Ech die vrijkomt: Ech = rv. m Ech = rv. V In deze formule is Ech de chemische energie in (J), rv de verbrandingswarmte in (J/kg bij vaste situatie en J/m3 bij vloeibare of gasvormige situatie), m de massa in (kg) en V het volume in (m3) - Met elektriciteit beschikken we ook uiteraard over een energie aanbod maar dan in de vorm van elektrische energie. Deze elektrische energie Ee die een apparaat gebruikt is op drie manieren te bereken. - De drie manieren om de elektrische energie te berekenen zijn: Meet de spanning en de stroomsterke van het apparaat. Het is ook belangrijk de tijdsduur te meten. De verbruikte elektrische energie is dan als volgt te berekenen: Ee = U. I. t In deze formule is Ee de elektrische energie in (J), U de spanning in (V), I de stroomsterkte in (A) en t de tijdsduur in (s). Lees van het apparaat het elektrische vermogen af en meet de tijdsduur waarin het apparaat werkt. De verbruikte elektrische energie is dan te berekenen met: Ee = Pe. t In deze formule is Ee de elektrische energie in (J), Pe het elektrische vermogen in (W) en t de tijdsduur in (s) Als laatste manier (uitsluitend de eenvoudigste), sluit een kilowattuurmeter (kwh-meter) aan op het apparaat. Lees tot slot de verbruikte elektrische energie (kwh) af of reken het om naar de meer gebruikte eenheid J. - De grootheid temperatuur kan in twee eenheden worden uitgedrukt, namelijk in graad Celsius ( C) en kelvin (K). De temperatuur in de eenheid kelvin is de absolute temperatuur, omdat deze eenheid een absoluut nulpunt heeft: 0 K = -273,16 C. - De waarden in temperatuur van Celsius en kelvin zijn dan ook volkomen verschillend: Tk = 273,16 + Tc In deze formule is Tk de temperatuur in (K) en Tc de temperatuur in ( C). Pagina 2 van 5
De stijgwaarden van de twee eenheden komen wel met elkaar overheen, als bijv. de temperatuur met 5 C stijgt dan is de temperatuur dus ook met 5 K gestegen. - Door warmtetoevoer aan een voorwerp stijgt de temperatuur van dit voorwerp. Warmteafvoer geeft een temperatuurverlaging. De fase overgangen vormen een uitzondering op deze regel. - Hoe groot de warmtetoevoer moet zijn hangt af van allerlei verschillende factoren. De factoren zijn de temperatuurstijging en de massa van het voorwerp. Hoe meer van deze factoren aanwezig zijn, des te meer warmte wordt er toegevoerd. Er is nog een factor die absoluut niet vergeten mag worden, de soort stof. Het maakt namelijk veel uit of je nou lucht of een stuk metaal hebt. Lucht is namelijk veel sneller warmer te maken dan metaal, dus de warmtetoevoer bij metaal zal meer zijn dan bij lucht om hetzelfde te creëren. - De hoeveelheid warmte die nodig is voor 1 K temperatuurstijging van 1 kg van een stof noemen we de soortelijke warmte c van de stof. Voor de aan een stof toegevoegde warmte Q geldt: Q = c. m. ΔT In deze formule is Q de toegevoegde warmte in (J), c de soortelijke warmte in (J/kg.K), m de massa in kg en ΔT de temperatuurstijging in (K). De eenheid van de soortelijke warmte c, is te creëren door de formule zo te herschrijven met c als gevraagde c = Q/m. ΔT - Bij het verwarmen van water in een ketel stijgt niet alleen het water, maar ook de ketel in temperatuur. Omdat zo n ketel meestal gemaakt is van verschillende stoffen is het handiger om te rekenen met de warmtecapaciteit van het voorwerp. Voor de aan een voorwerp toegevoegde warmte Q geldt dan: Q = C. ΔT In deze formule is Q de toegevoegde warmte in (J), C de warmtecapaciteit in (J/K) en ΔT de temperatuurstijging in (K). De eenheid van de warmtecapaciteit C, is te creëren door de formule zo te herschrijven met C als gevraagde C = Q/ ΔT 2.4 rendement - Als er warmte wordt geproduceerd, dan kan deze vaak worden omgezet in energie. Er is dan sprake van energie omzetting. Chemische energie (in brandstof) wordt rechtstreeks omgezet in warmte of ondergaat eerst een paar tussenstappen. De tussenstappen kunnen o.a. arbeid, stralingsenergie en elektrische energie wezen. - Wet van behoud van energie / eerste hoofdwet van de warmteleer: Bij elke energieomzetting is de totale hoeveelheid energie de energieomzetter in gaat even groot als de totale hoeveelheid energie die de energieomzetter uit komt. Maar slechts een deel van de toegevoerde energie wordt omgezet in een nuttige (gewenste) vorm van energie. De rest gaat verloren in de vorm van (afval)warmte). Pagina 3 van 5
65 J nuttige warmte 100 J 35 J afvalwarmte (schematische tekening van de verdeling van nuttige warmte en afvalwarmte) - Het rendement van een energieomzetter geeft aan welk deel van de omgezette energie Ein wordt geleverd in de vorm van nuttige energie Enuttig: In deze formule is het rendement (zonder eenheid), Enuttig de geleverde nuttige energie in (J) en Ein de omgezette energie in (J). In de formule mag je de energie E ook vervangen door het vermogen P, omdat je de tijdsduur t door elkaar weg deelt: In deze formule is het rendement (zonder eenheid), Pnuttig het geleverde nuttige vermogen in (W) en Pin het omgezette vermogen in (W) - Het rendement van een energieomzetter is altijd kleiner dan 1 of 100%, omdat de geleverde nuttige energie altijd slechts een deel is van de omgezette energie. 65 J nuttige warmte ( = 0,65) 100 J 35 J afvalwarmte (schematische tekening waarin je goed kunt zien hoeveel het rendement is) - Er zijn verschillende soorten apparaten met een verschillend rendement. Het efficiëntste apparaat heeft het rendement natuurlijk het dichtste bij de 1 liggen. - Warmtemachine: Apparaat dat warmte omzet in arbeid. Het rendement van zo n machine is altijd kleiner dan 1 omdat warmte nooit volledig kan worden omgezet in arbeid (tweede hoofdwet van de warmteleer). Een warmtemachine heeft altijd een temperatuurverschil nodig om te kunnen werken. Koeling maakt het temperatuurverschil en daarmee het rendement van de warmtemachine groter. - Elektromotor: zet energie om in arbeid (η 0,9). - Elektriciteitscentrale/verbrandingsmotor: zet chemische energie om in arbeid (η = 0,3 tot 0,4). - Deze energiesoorten zijn verschillend van kwaliteit (de mate waarin een energiesoort gebruikt kan worden voor het leveren van arbeid). Chemische energie noemen we ook een energiesoort met een hoge kwaliteit omdat het (via de tussenstap van warmte bij een hoge temperatuur) met een nog redelijk hoog rendement kan worden omgezet in arbeid. Uiteindelijk wordt bij energieomzettingen ook de geleverde arbeid omgezet in warmte bij een hoge temperatuur. De mate waarin de energie nog arbeid kan leveren neemt af. Er is dus sprake van een Pagina 4 van 5
kwaliteitsverlies, ook wel degradatie van energie genoemd. 3,0 Energiebesparing - Er zijn drie soorten maatregelen om de energievoorziening duurzamer te maken: - Een kleinere energievraag warmte-isolatie van een woning. - Een hoger rendement een gewone Cv-ketel vervangen door een hoogrendementsketel (Hr-ketel). - Een ander energieaanbod (let hierbij op de verschillende taken waarvoor het energieaanbod bedoeld is) energie met een hoge kwaliteit eerst omzetten in arbeid en niet direct omzetten in warmte bij een hoge temperatuur (bijv. voor woningverwarming) Pagina 5 van 5