Hoofdstuk 9, Energie

ENERGIE hoofdstuk 9 Natuurkunde
Paragraaf 1 Energie omzetten
Verschillende energiesoorten ; elektrische energie, chemische energie, warmte, geluid en licht. Andere soorten zijn:
Bewegingsenergie, dit is de energie die een voorwerp heeft dankzij zijn massa en snelheid.
Zwaarte-energie, dit is de energie die een voorwerp heeft dankzij zijn massa en hoogte boven de grond.
Bijvoorbeeld een slee die bovenaan een heuvel staat bevat veel zwaarte-energie. De zwaartekracht trekt aan de slee. Als de slee naar beneden glijdt, wordt de zwaarte-energie omgezet in bewegingsenergie.

Een energiebron zorgt voor het opleveren van energie. Je kan deze ook zien als een opslagplaats van energie. Voorbeelden van bronnen: steenkool, gas, aardolie (fossiele brandstoffen), de zon, een batterij en de wind. Sommigen zijn maar beperkt voorradig, andere zijn in feite onuitputtelijk.
Als een apparaat ‘werkt’, merk je eigenlijk pas dat energie wordt omgezet van de ene soort in de andere. Zo een apparaat noem je dus een energieomzetter. Bijvoorbeeld; Een automotor, maar ook de mens zelf, wielrenners, hardlopers.

Je kunt bij elke energieomzetter een energie-stroomdiagram tekenen. Daarin is aangegeven welke soorten energie een rol spelen bij het omzetten en hoe groot ze daarin zijn.

Bij veel energieomzettingen verdwijnen waardevolle soorten energie zoals chemische en elektrische 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. Zuinig zijn met energie betekend dus eigenlijk zuinig zijn met waardevolle soorten energie. Voorbeeld: bij een rijdende auto verdwijnt een deel van de energie aan wrijving.

Om energiebronnen en energiesoorten met elkaar te kunnen vergelijken, moet je de energiehoeveelheid kunnen meten. Daarvoor heb je een eenheid nodig. Alle soorten energie kunnen gemeten worden in dezelfde eenheid, namelijk de joule (J). Maar vaak praat je in kilojoule (kJ) of soms zelfs in megajoule (MJ).

Paragraaf 2 Elektrische energie omzetten in warmte

Om energie goed te meten in joule krijg je de volgende formule:

E = P x t

Het vermogen (P) vul je in in watt en de tijd (t) vul je in in seconden. Je vindt dan de elektrische energie in joule, dit kan je vervolgens omzetten naar kJ en zelfs naar MJ.
Voorbeeld:
Een apparaat van 450 W neemt in één seconde 450 J elektrische energie op. Want 1W= 1J/s.
Het apparaat neemt dus in tien minuten (600 seconden);
E= P x T = 450 x 600 = 270 000 J = 270 kJ = 2,7 x 10(5)J
De 270 kJ elektrische energie wordt dus volledig omgezet in 270 kJ warmte.
Alle soorten energie worden tegenwoordig gemeten in joule. Behalve de elektrische energie. Die wordt nog steeds gemeten in kilowattuur (kWh).
1 kWh = 1000 J/s.
Je kunt dus de kWh omrekenen naar joule.
1 kWh = 1 x 1000 J/s x 36000 s = 3,6 x 10(6) J = 3,6 MJ.

We weten dat er bij verschillende elektrische apparaten warmte vrij komt en dus bijvoorbeeld water verwarmen. Maar hoeveel warmte nodig is voor het verwarmen van een bepaalde hoeveelheid water, kun je beter meten met een warmtemeter. Een warmtemeter is een geïsoleerd bakje met door de deksel gestoken een roerder en een thermometer. Je kunt het water in meter verwarmen met een elektrisch verwarmingselement. Door af en toe te roeren met de roerder, wordt het water gelijkmatig opgewarmd. Met de thermometer kun je de temperatuur van het water meten.

De hoeveelheid warmte die nodig is om 1 g van een stof 1 graden in temperatuur te laten stijgen, noem je de soortelijke warmte van die stof. De soortelijke warmte van water is bijvoorbeeld 4,2 J/g x °C. Hierbij kan je de volgende formule bij toepassen:

Q = c x m x Δt

Hierin is Q de hoeveelheid warmte in Joule, c is de soortelijke warmte in J/g x °C , m is de massa van de stof in gram en Δt is het temperatuurverschil.

Voorbeeld;

Een elektrische warmwaterpomp (2000 W) verwarmt 50 liter water van 10 ◦C tot 50 ◦C. We gaan berekenen hoelang de pomp daarover doet.

Eerst berekenen we hoeveel warmte de boiler moet leveren. De massa van 50 liter water is 50 000 gram. Het water stijgt 70 ◦C in temperatuur. De pomp levert dus;
Q = c x m x Δt
50.000 x 40 x 4.2 = 8,4 x 10 (6) J warmte

Dan berekenen we de benodigde tijd. De pomp moet 8.4 x 10 (6) J elektrische energie omzetten in 8.4 x 10(6) J warmte.
E = P x t

8.4 x 10(6) = 2000 x t
t = 8,4 x 10 (6)
2000

= 4200 s = 70 minuten

Paragraaf 3 Chemische energie omzetten in warmte

Er zijn nogal wat warmtebronnen die warmte leveren door een brandstof te verbranden. Hierbij wordt de chemische energie van de brandstof omgezet in warmte.
Vaak is het handig om te weten hoeveel warmte een bepaalde hoeveelheid brandstof kan leveren. Je moet dan de verbrandingswarmte van de brandstof kennen.

Het rendement is de hoeveelheid warmte die nuttig gebruikt wordt in procenten. Hiervoor heb je de formule:

E-nut
η = --------- x 100%
E-tot

De totale omgezette energie is in dit geval de warmte die vrijkomt bij de verbranding van het aardgas. De nuttig gebruikte energie is het deel van de warmte dat door het water opgenomen wordt.

Voorbeeldsom;
Een geiser verbrandt in 4 minuten 0,12 m³ aardgas. In die 4 minuten wordt 11 L water verwarmd van 18 graden tot 72 graden. De verbrandingswarmte van aardgas is 30 MJ per m³. Bereken het rendement van de geiser.
Bereken E-tot.
De verbrandingswarmte van aardgas is 32 MJ per m³.
Er is 0.12 m³ aardgas verbrand.
Er is dus 0.12 x 32 = 3.84 MJ = 3.84 x 10 (6) J warmte vrijgekomen.
Bereken E-nut.
De massa van 11 liter water is 11 000 gram.
De temperatuur stijgt met 54 graden.
Er is dus 11000 x 54 x 4.2 = 2.5 x 10 (6) J warmte door het water opgenomen.
Bereken het rendement.
E-tot = 3.84 x 10 (6) J
E-nut= 2.5 x 10(6) J

E-nut 2.5 x 10 (6) J
η = --------- x 100% = -------------------- x 100% = 65%
E-tot 3.84 x 10 (6) J


Paragraaf 4 Elektriciteit opwekken

Door fossiele brandstoffen (aardgas, kolen of olie) hebben we elektrische energie thuis. De brandstoffen worden in elektriciteitcentrales omgezet. Die centrales zijn dus hele grote energie-omzetters.
Hoe werkt zo’n centrale dan?
Stap 1. Door de branders wordt de aardgas (of een andere brandstof) verbrandt. Met de damp wordt de ketel verhit. Daardoor ontstaat stoom (temp. 500 graden) en een zeer hoge druk.
Stap 2. De stoom spuit tegen de schoepen van een turbine. Daardoor gaat de as van de turbine ronddraaien.
Stap 3. Als de as van de turbine draait, wordt er in de generator stroom opgewekt.
Stap 4. De stroom wordt naar de condensor geleid, er wordt koelwater gebruikt om te condenseren.

Ongeveer 40% van de chemische energie wordt omgezet in elektrische energie. De overige 60% wordt gebruikt voor stadsverwarming. Er zijn ook fabrieken die zelf hun eigen elektriciteit opwekken en de afvalwarmte gebruiken om er iets mee te verwarmen. Die maken dan gebruik van warmte-krachtkoppeling.

Duurzame energiebronnen zijn wind, waterkracht en zonlicht. In tegenstelling tot fossiele brandstoffen raken deze niet op.
Met wind laten ze de generator draaien, in plaats van de stoom te gebruiken.
Met waterkracht stroomt het water van hoger naar lager. Ondertussen brengt het water enkele watertubines in beweging. Die drijven de generators weer aan.
Met zonlicht zorgen ze voor een fotovoltaïsche omzetting. Het zonlicht wordt voor een deel omgezet in elektrische energie.