3B H6 Energie en warmte

• Natuurkunde
• Middelbare school
• vmbo b
• Leerjaar 3

Natuurkunde

6.1 Energie-omzetting

• Mensen gebruiken dagelijks warmte.
• Warmtebronnen geven warmte af.
• Sommige werken op elektriciteit.
• In andere warmtebronnen verbrandt een brandstof, zoals hout, gas, olie of kolen.

Soorten energie

• Energie is er in vele soorten. Elektrische apparaten werken op elektrische energie.
• Alle dingen die bewegen of ronddraaien hebben bewegingsenergie.
• De vlammen van een kampvuur geven veel warmte en licht. Dit zijn ook soorten energie.

Soorten energie

• In hout en andere brandstoffen zit ook energie. Je noemt deze energie chemische energie.
• Chemische energie zit ook in voedsel. Het wordt omgezet in de energie die je nodig hebt om warm te blijven, te bewegen of na te denken.

Elektrische energie omzetten

• In een elektrische warmtebron wordt  elektrische energie omgezet in warmte. Je kunt deze energie-omzetting in een schema zetten:
• elektrische energie → warmte
• De pijl (→) betekent: ‘wordt omgezet in’.

Brandstoffen verbranden

• Bij verbranding van een brandstof komt warmte vrij en ontstaan er nieuwe stoffen.
• Bij verbranding wordt de chemische energie omgezet in warmte.
• Je kunt deze energie-omzetting in een schema zetten:
• chemische energie → warmte

Bewegingsenergie gebruiken

• Elektrische energie ontstaat niet zomaar. Die moet je opwekken. Hiervoor gebruik je andere soorten energie.
•  Door de beweging van het wieltje tegen een fietsband draait de dynamo rond en wordt elektrische energie opgewekt om een lampje te laten branden.

Gevolgen voor het milieu

• In een elektriciteitscentrale wordt veel fossiele brandstof verbrand. Bij de verbranding komen rookgassen vrij. 
• Door zwavelgas en stikstofgas ontstaat zure regen. Bomen en planten kunnen daardoor afsterven en vissen doodgaan.
• CO₂ --> versterkt broeikaseffect

6.2 Elektriciteit opwekken

• Je kunt energie omzetten.
• Bij het verbranden van een brandstof wordt chemische energie omgezet in warmte.
• Die warmte kun je weer omzetten in elektrische energie.
• In een elektriciteitscentrale gebeurt dat op grote schaal.

1

In grote branders wordt aardgas verbrand. Met de warmte wordt water verhit. Er ontstaat stoom met een hoge temperatuur en druk.

2

De hete stoom spuit met grote snelheid tegen de schoepen van een stoomturbine. De schoepen gaan daardoor ronddraaien.

3

Aan de turbine is een generator gekoppeld. Als de as van de turbine draait, draait de as van de generator mee.

4

In de generator wordt dan elektrische energie opgewekt, op dezelfde manier als in een dynamo.

5

In de condensor wordt de gebruikte stoom afgekoeld, zodat de stoom condenseert tot water. Het water wordt daarna opnieuw gebruikt.

6

De elektrische energie wordt via het elektriciteitsnet geleverd aan woningen en bedrijven.

Duurzame energiebronnen

• Sommige elektriciteitscentrales mengen fossiele brandstof met biomassa. Dit is afval van planten en mest van dieren.
• Een duurzame energiebron raakt niet op en is minder schadelijk voor het milieu.
• Deze elektrische energie noemen we groene stroom. 

Windturbines

• Een windmolen of windturbine gebruikt bewegingsenergie van de wind.
• De bewegingsenergie wordt in de generator omgezet in elektrische energie. 

Zonnepanelen

• De zon straalt warmte en licht naar de aarde. Dit zijn soorten energie.
• Zonnepanelen zetten licht van de zon om in elektrische energie. 

Waterkracht-centrale

• Stromend water heeft bewegingsenergie.
• In een waterkrachtcentrale wordt deze energie omgezet in elektrische energie.
• Het water stroomt van hoog naar laag waardoor een turbine gaat draaien. Deze drijft een generator aan: bewegingsE. --> elektrischeE.

6.3 Temperatuur

• Voor het meten van de temperatuur gebruik je een thermometer.
• Als de temperatuur stijgt, zet de vloeistof uit en stijgt het vloeistofniveau in de buis.
• Omdat de stijgbuis erg nauw is, zie je de vloeistof al stijgen of dalen bij kleine T verschillen.

Celsiusschaal

• De Celsiusschaal is de schaalverdeling van een thermometer in graden Celsius.
• Een thermometer kun je ijken:
• Smeltpunt van ijs (0°C)
• Kookpunt van water (100°C)
• Hierna verdeel je de afstand in honderd gelijke delen.

bimetaal thermometer

• Een bimetaal bestaat uit twee trips van verschillende metalen die stevig met elkaar zijn verbonden.
• Als de temperatuur stijgt, zet de ene strip sterker uit dan de andere.
• Hierdoor trekt het bimetaal krom.

• Een elektrische thermometer bevat een schakeling en een sensor die reageert op temp.

Kelvin

• Vaak wordt temperatuur gemeten in graden Celsius. Bij Natuurkunde wordt ook de eenheid Kelvin (K) gebruikt.
• Bij Kelvin is nul de allerlaagste temperatuur die mogelijk is. Dat is -273°C of 0 K. Lager wordt de temperatuur nooit dus dit heet het absolute nulpunt.

6.4 Temperatuur en moleculen

• IJs is een vaste stof. IJs bestaat uit watermoleculen.
• In ijs hebben alle moleculen een eigen, vaste plaats.
• De moleculen staan niet stil, ze trillen heen en weer.

Moleculen in een vloeistof

• Als de temperatuur stijgt zal het ijs smelten en wordt het vloeibaar.
• De moleculen in een vloeistof bewegen langs en door elkaar heen. Ze hebben geen vaste plaats
• De snelheid van sommige moleculen is zo groot dat ze uit de vloeistof kunnen ontsnappen. De vloeistof verdampt langzaam.

Moleculen in een gas

• Hoe hoger de temperatuur, hoe groter de snelheid van de moleculen en des te gemakkelijker ze uit de vloeistof zullen ontsnappen. 
• De moleculen van een gas bewegen los van elkaar door de ruimte waar het gas in zit

Fase-overgangen

• Voor smelten en verdampen is energie nodig. Deze twee fase-overgangen zijn aangegeven met een rode pijl.
• Als waterdamp condenseert en water wordt, dan komt er energie vrij. En als water stolt (bevriest) en ijs wordt, komt er ook energie vrij.

Temperatuur, tijd en energie

• Met een waterkoker kun je water verwarmen. Je voegt daardoor energie toe aan het water. Je ziet dan dat de temperatuur stijgt.
• Je kunt met de waterkoker ook minder water verwarmen. De hoeveelheid energie die je toevoert is gelijk. De temperatuur van het water stijgt dan sneller.

6.5 Warmte-transport

• Als warmte zich verplaatst, dan noem je dit warmtetransport.
• Warmtetransport door vaste stoffen vindt plaats door geleiding, zoals in het staal van de radiator.
• Warmtegeleiders geven warmte goed door. Metalen zijn goede warmtegeleiders.
• Alle andere stoffen geleiden warmte minder goed. Deze stoffen noem je isolatoren.

Stroming

• Een hete radiator geeft warmte af aan de lucht. De dichtheid van warme lucht is kleiner dan die van koude lucht. Daardoor stijgt de warme lucht op. De lucht in de kamer gaat door de hele kamer bewegen.
• Deze beweging van lucht noem je stroming. Warme lucht gaat omhoog en koude lucht zakt omlaag. Stroming gebeurt niet alleen in lucht, maar ook in vloeistoffen en andere gassen.
• Stroming is een soort warmtetransport.

Straling

• Als je je hand vlak bij een hete radiator houdt, voel je de warmte. De warmte verplaatst zich door straling van de radiator naar je hand.
• Elk voorwerp dat warmer is dan zijn omgeving straalt warmte uit. Die stralingswarmte noem je infrarode straling.
• Straling is een soort warmtetransport.

Straling

• De warmte van de zon voel je ook door infrarode straling. Maar tussen de zon en de aarde zit veel lege ruimte. Er is daar niets, ook geen lucht.
• Dit noem je een vacuüm.
• Straling verplaatst zich dus ook als er geen lucht of een andere stof is.
• Voor straling is geen tussenstof nodig.

6.6 Isolatie

• Warmte die naar buiten verdwijnt, noem je warmteverlies. Warmteverlies ontstaat op drie manieren:
  
• Veel warmte gaat door de ramen en muren naar buiten door geleiding.
  
• Muren, ramen en daken die warmer zijn dan hun omgeving, stralen warmte uit. Zo verlaat warmte het huis ook door straling.
• Stromende lucht neemt warmte mee naar buiten. Lucht kan naar buiten stromen door kieren en door open ramen en deuren.

Isoleren

• Een goede manier om warmteverlies tegen te gaan, is isoleren. Isolatiemateriaal vermindert altijd één of meer soorten van warmtetransport.
• Je bespaart aardgas door warmteverlies tegen te gaan. Zo kun je geld besparen.

Geleiding verminderen

• Lucht is een goede isolator. Lucht gaat warmteverlies door warmtegeleiding heel goed tegen. In goed isolerende isolatiematerialen zit altijd heel veel lucht.
•  In een spouwmuur wordt isolatiemateriaal verwerkt. De spouw is de ruimte tussen de binnenmuur en de buitenmuur. Door de isolatie verdwijnt minder warmte naar buiten.
• Warmteverlies door de ramen kun je tegengaan met dubbelglas.

Stroming verminderen

• Warmteverlies door stroming kun je ook tegengaan met tochtstrips.
• Met een tochtstrip plak je kieren bij ramen en deuren dicht.
• Hierdoor gaat de lucht in de kamer minder bewegen en verdwijnt minder warme lucht van binnen naar buiten.

Straling verminderen

• Een radiator die voor een muur hangt geeft zijn straling af aan de kamer, maar ook aan de muur. Hierdoor wordt niet alleen de kamer warm, maar ook de muur.
• Achter de radiator in is glimmende radiatorfolie geplakt. Hierdoor weerkaatst de folie de warmte de kamer in. De muur wordt zo veel minder warm en de kamer juist warmer.