Energie - Chemische Energie

Hoofdstuk Energie

Energie - Soorten energie
Energie - Behoud van energie
Energie - Chemische energie
Energie - Arbeid
Energie - Vermogen
Energie - (F,s)-diagram (VWO)

1 / 24

Slide 1: Slide

NatuurkundeMiddelbare schoolhavo, vwoLeerjaar 4

This lesson contains 24 slides, with interactive quizzes and text slides.

Lesson duration is: 45 min

Items in this lesson

Hoofdstuk Energie

Energie - Soorten energie
Energie - Behoud van energie
Energie - Chemische energie
Energie - Arbeid
Energie - Vermogen
Energie - (F,s)-diagram (VWO)

Slide 1 - Slide

Leerdoelen Chemische energie

Aan het eind van deze les...

... weet je waar je stookwaarden kan vinden en hoe je die kan gebruiken.

... weet je dat er twee soorten stookwaarden bestaan.

... kan je rekenen met de stookwaarden.

... kan je rekenen met rendement.

... begrijp je de formule voor rendement.

Slide 2 - Slide

Chemische Energie

In de eerste paragraaf hebben we het al kort over chemische energie gehad. Het is de energie die opgeslagen zit in de bindingen tussen atomen. Voorbeelden zijn de verbranding van benzine door motoren en voedsel door organismen. Ook de energie die batterijen leveren hebben een chemische
oorsprong.

Slide 3 - Slide

Stookwaarden

Brandstoffen hebben stookwaarden, een waarde die aangeeft hoeveel chemische energie er per kilo of volume in
de brandstof zit en
wordt gegenereerd
bij verbranding.

Die waarden staan
in BINAS T28B.

Slide 4 - Slide

Stookwaarden met massa

De chemische energie kan worden berekend met een stookwaarde r_m wanneer je de eenheid J/kg of kWh/kg gebruikt. Omdat er .../kg staat, gaat het voornamelijk om stoffen in vaste vorm. In formulevorm:

waarin:
   = chemische energie      in J
         = stookwaarde                 in J/kg
         = massa                                 in kg

E^{​ c h ​ ​} = r^{​ m ​ ​} m

m

r^{​ m ​ ​}

E^{​ c h ​ ​}

Slide 5 - Slide

Stookwaarden met volume

De chemische energie kan ook worden berekend met een stookwaarde r_v wanneer je de eenheid J/m³ of kWh/m³ gebruikt. Omdat er .../m³ staat, gaat het voornamelijk om stoffen in vloeibare en gas- vorm. In formulevorm:

waarin:
   = chemische energie      in J
         = stookwaarde                 in J/m³
         = volume                                in m³

E^{​ c h ​ ​} = r^{​ v ​ ​} V

V

r^{​ v ​ ​}

E^{​ c h ​ ​}

Slide 6 - Slide

Voorbeeld met stookwaarde I

Ondanks de dringende klimaatmaatregelen heeft Duitsland besloten om toch lekker bruinkool te stoken om in diens energiebehoefte te voorzien. Men wil daar jaarlijks 60 miljoen ton bruinkool opgraven.

a. Hoeveel chemische energie kan men met die hoeveelheid jaarlijks opwekken?

Een gemiddeld huishouden in Duitsland verbruikt 21875 kWh per jaar.

b. Hoeveel Duitse huishoudens kunnen met behulp van de bruinkool industrie voorzien worden van elektriciteit? Tip: kijk in BINAS T5.

Slide 7 - Slide

Waar vind je kWh ↔ J

BINAS T5

Slide 8 - Slide

Waar vind je kWh ↔ J

BINAS T5
   \\
   \\
    \\
                                 \\

⟹

Slide 9 - Slide

Rendement

Helaas komt het bijna altijd voor dat bij energie-omzetting er een fractie van de beginenergie in warmte wordt omgezet. Een typisch voorbeeld hiervan is het motorblok van een benzine- of dieselauto die bij gebruik altijd zeer warm wordt. De energiebehoudvergelijking luidt:

waarin:
             = chemische energie (uit benzine of diesel)     in J
                   = energie van de motor                 in J
                   = warmte van de motor                               in J

E^{​ c h ​ ​} = E^{​ m o t o r ​ ​} + Q^{​ m o t o r ​ ​}

E^{​ c h ​ ​}

E^{​ m o t o r ​ ​}

Q^{​ m o t o r ​ ​}

Slide 10 - Slide

Rendement

Schematisch ziet dat er zo uit als in de figuur hieronder. De energie die nuttig verbruikt wordt in deze situatie, is E_motor. De hoeveelheid energie die in het systeem (hier de motor) gepompt wordt, noemt men E_totaal en is hier gelijk aan E_chem.

De fractie tussen de hoeveelheid nuttig gebruikte energie en de totale energie noemen we het rendement.

Slide 11 - Slide

Rendement

Het rendement kan ook uitgerekend worden, en wel met de volgende formule:

waarin:
             = rendement                  in - (dimensieloos)
                   = nuttige energie         in J
                   = totale energie            in J

In het geval van de motor

wordt dat:

η = \frac{​ E ^{​ n u t t i g ​ ​} ​ ​}{​ E ^{​ t o t a a l ​ ​} ​} \cdot 100 %

η

E^{​ n u t t i g ​ ​}

E^{​ t o t a a l ​ ​}

η = \frac{​ E ^{​ m o t o r ​ ​} ​ ​}{​ E ^{​ c h ​ ​} ​} \cdot 100 %

Slide 12 - Slide

Rendement

Er zijn twee zaken om mee rekening te houden bij rendement; het symbool is geen , maar de Griekse letter eta oftwel: . Ja kan het zien als een met een verlengd been omlaag.

Het getal wat je bij het rendement eruit krijgt, is een dimensieloos getal, het heeft geen eenheid. Dit getal vermenigvuldig je met 100 %, om een procentueel getal te krijgen voor het rendement. Een rendement van 20 % zegt dat er maar 20% van de totale begin energie wordt omgezet in nuttige energie.

n

η

n

Slide 13 - Slide

Voorbeeld Rendement

Een verbrandingsmotor levert 10·10⁷ J aan nuttige energie en heeft een rendement van 30%. Bereken hoeveel liter benzine hiervoor moet worden verbrand.

Slide 14 - Slide

Verbranding menselijk lichaam

Eiwitten hebben een gemiddelde voedingswaar van 4 kcal/g = 17 KJ/g

Eiwitten (proteinen) heb je nodig voor je spierweefsel, enzymen en hormonen.

Immuunsysteem voor antistoffen

Transport en opslag, bijvoorbeeld het transporteren van zuurstof door het lichaam.

Slide 15 - Slide

Verbranding menselijk lichaam

Koolhydraten hebben een gemiddelde voedingswaarde van 4 kcal/g = 17 KJ/g

Suikers (eenvoudige koolhydraten), glucose, fructose en sucrose. Deze worden snel afgebroken door het lichaam.

Zetmeel (complexe koolhydraten), deze zitten vooral in rijst, brood, en paste. Deze worden langzamer afgebroken door het lichaam.

Vezels (complexe koolhydraten), deze worden niet volledig afgebroken maar zijn nodig voor een goed spijsvertering. Deze zitten vooral in groenten, fruit, volle granen en peulvruchten.

Slide 16 - Slide

Verbranding menselijk lichaam

Vetten hebben een gemiddelde voedingswaar van 9 kcal/g = 38 KJ/g

Vetten leveren veel energie, maar worden veel minder makkelijk afgebroken door het lichaam.

Ze dienen vooral voor:

- Energiebron (leveren twee keer meer energie per gram dan koolhydraten)

- Op slag van energie (het lichaam slaat overtollig energie op in de vorm van vetweefsel)

- Isolatie en bescherming (bescherming van vitale organen)

- Opname van vitaminen (zijn nodig voor vet-oplosbare vitaminen A, D, E en K)

- Celstructuur (belangrijk onderdeel van het celmembraan)

Slide 17 - Slide

Huiswerk

huiswerk par 6.3 opdr 43 tm 47

Slide 18 - Slide

Opgaven

Vr. 1: Een auto versnelt vanuit stilstand over een horizontale weg en behaalt na een bepaalde tijd een bepaalde snelheid.
Stel een energiebehoudvergelijking op voor wat er in de motor van auto gebeurt en een energiebehoudvergelijking voor de beschreven beweging zelf.

Vr. 2: Een auto rijdt met een constante snelheid tegen een helling op.
Stel een energiebehoudvergelijking op voor wat er in de motor van auto gebeurt en een energiebehoudvergelijking voor de beschreven beweging zelf.

Slide 19 - Slide

Opgaven

Vr. 3: Een auto rijdt met een snelheid van 70 km/h tegen een helling op. Na een afstand s is de snelheid afgenomen tot 30 km/h. De motor heeft een rendement van 30%.

Stel de energiebehoudvergelijking op voor het begin en het einde van de beschreven beweging. Maak hier in ieder geval gebruik van de chemische energie.

Vr. 4: Een auto maakt een rit waarbij 8,0 L aan benzine verbrand wordt. Het rendement van de motor is 45%.

Bereken de motorenergie.

Slide 20 - Slide

Opgaven

Vr. 5: Een auto maakt een rit met een constante snelheid waarbij 4,5 L aan benzine verbrand wordt. Het rendement van de motor is 45%. De motorkracht waarmee de auto voortbeweegt is 3,2·10⁴ N.

a. Bereken hoeveel warmte er in de motor is ontstaan tijdens deze beweging.

b. Bereken hoeveel warmte er is ontstaan door de wrijving tussen de wielen en de weg.

c. Bereken de afstand die de auto heeft afgelegd.

Vr. 6: Een auto met een massa van 4,0·10⁴ kg versnelt van 20 km/h naar 120 km/h over een afstand van 1200 meter. De gemiddelde wrijvingskracht is 0,8·10⁴ N. Bereken hoeveel liter benzine er hiervoor verbrand moet worden. Ga ervan uit dat het rendement van de motor 35% is.