H7 zuinig met energie

Hfd. 7 §4 rendement van een automotor bepalen

Energie - Soorten energie en de bijbehorende formules
Energie - Behoud van energie
Energie - Arbeid
Energie - (F,s)-diagram

vandaag:

Chemische energie

Vermogen

1 / 44

Slide 1: Tekstslide

naskVoortgezet speciaal onderwijsLeerroute 5

In deze les zitten 44 slides, met interactieve quizzen, tekstslides en 1 video.

Lesduur is: 60 min

Onderdelen in deze les

Hfd. 7 §4 rendement van een automotor bepalen

Energie - Soorten energie en de bijbehorende formules
Energie - Behoud van energie
Energie - Arbeid
Energie - (F,s)-diagram

vandaag:

Chemische energie

Vermogen

Slide 1 - Tekstslide

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.

... kan je rekenen aan vermogen

Slide 2 - Tekstslide

Herhaling omzetten energie

Elektrische energie kun je omzetten in licht, warmte of beweging en omgekeerd.

Slide 3 - Tekstslide

Slide 4 - Tekstslide

Energie-stroomdiagrammen

Slide 5 - Tekstslide

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 6 - Tekstslide

Chemische Energie

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 7 - Tekstslide

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 8 - Tekstslide

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 9 - Tekstslide

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 10 - Tekstslide

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 11 - Tekstslide

Waar vind je kWh ↔ J

BINAS T5

Slide 12 - Tekstslide

Waar vind je kWh ↔ J

BINAS T5
   \\
   \\
    \\
                                 \\

⟹

Slide 13 - Tekstslide

Voorbeeld I - Antwoord

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

___________________________________________________________________________________________________

m = 60 \cdot 1 0^{​ 9 ​ ​} k g

r^{​ m ​ ​} = 21 \cdot 1 0^{​ 6 ​ ​} J \cdot k g^{​ - 1 ​ ​}

E^{​ c h ​ ​} = r^{​ m ​ ​} m = 21 \cdot 10^{​ 6 ​ ​} \cdot 60 \cdot 10^{​ 6 ​ ​} \cdot 10^{​ 3 ​ ​} = 1, 3 \cdot 10^{​ 18 ​ ​} J

Slide 14 - Tekstslide

Voorbeeld I - Antwoord

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.

1. (T5)

E^{​ c h ​ ​} = 1, 3 \cdot 10^{​ 18 ​ ​} J \to \frac{​ 1 , 3 \cdot 1 0 ^{​ 18 ​ ​} ​ ​}{​ 3 , 6 \cdot 1 0 ^{​ 6 ​ ​} ​} = 3, 5 \cdot 1 0^{​ 11 ​ ​} k W h

\to \frac{​ 3 , 5 \cdot 1 0 ^{​ 11 ​ ​} ​ ​}{​ 2 1 8 7 5 ​} = 1, 6 \cdot 1 0^{​ 7 ​ ​} h u i s h o u d e n s

\to E^{​ c h ​ ​} = r^{​ m ​ ​} m = 5, 8 \cdot 60 \cdot 10^{​ 6 ​ ​} \cdot 10^{​ 3 ​ ​} = 3, 5 \cdot 1 0^{​ 11 ​ ​} k W h

r^{​ m ​ ​} = 5, 8 k W h \cdot k g^{​ - 1 ​ ​}

\to \frac{​ 3 , 5 \cdot 1 0 ^{​ 11 ​ ​} ​ ​}{​ 2 1 8 7 5 ​} = 1, 6 \cdot 1 0^{​ 7 ​ ​} h u i s h o u d e n s

(1 k W h = 3, 6 \cdot 1 0^{​ 6 ​ ​} J)

Slide 15 - Tekstslide

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 16 - Tekstslide

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.

Antwoord op de volgende sheet...

Slide 17 - Tekstslide

Vb. Rendement - Antwoord

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

_____________________________________

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

E^{​ n u t t i g ​ ​} = 10 \cdot 1 0^{​ 7 ​ ​} J

η = 30 %

\to 30 % = \frac{​ 1 0 \cdot 1 0 ^{​ 7 ​ ​} ​ ​}{​ E ^{​ c h ​ ​} ​} \cdot 100 % \to 0, 30 = \frac{​ 1 0 \cdot 1 0 ^{​ 7 ​ ​} ​ ​}{​ E ^{​ c h ​ ​} ​} \to E^{​ c h ​ ​} = \frac{​ 1 0 \cdot 1 0 ^{​ 7 ​ ​} ​ ​}{​ 0 , 3 0 ​} = 3, 3 \cdot 1 0^{​ 8 ​ ​} J

\to E^{​ c h ​ ​} = r^{​ V ​ ​} V \to V = \frac{​ E ^{​ c h ​ ​} ​ ​}{​ r ^{​ V ​ ​} ​} = \frac{​ 3 , 3 \cdot 1 0 ^{​ 8 ​ ​} ​ ​}{​ 3 3 \cdot 1 0 ^{​ 9 ​ ​} ​} = 1, 0 \cdot 1 0^{​ - 2 ​ ​} m^{​ 3 ​ ​}

\to E^{​ c h ​ ​} = 1, 0 \cdot 1 0^{​ - 2 ​ ​} m^{​ 3 ​ ​} = 1, 0 \cdot 1 0^{​ - 2 ​ ​} \cdot 1 0^{​ 3 ​ ​} = 10 L

Slide 18 - Tekstslide

Nuttige energie van de motor

W = F^{​ m o t ​ ​} \cdot s

P = \frac{​ E ​ ​}{​ t ​} = \frac{​ W ​ ​}{​ t ​} = \frac{​ ( F ^{​ m o t ​ ​} \cdot s ) ​ ​}{​ t ​} = F^{​ m o t ​ ​} \cdot \frac{​ s ​ ​}{​ t ​} = F \cdot v

P = F^{​ m o t ​ ​} \cdot v

Slide 19 - Tekstslide

maak nu vraag 40 en 41

Huiswerk staat in deze LessonUp in de volgende sheets.

timer

1:00

Slide 20 - Tekstslide

Lesdoelen:

verschillende soorten weerstanden kennen
rekenen aan de formule van luchtwrijving

Slide 21 - Tekstslide

Krachten bij afzetten

- Wrijvingskracht (schoenen glijden

niet weg)

- Spierkracht - duwt je naar voren

Vis duwt water weg met staart

Vogel duwt lucht weg met vleugels

Slide 22 - Tekstslide

V-formatie - waarom?

Wind tegenhouden/ profiteren van opwaartse kracht van vogel die voor is.
Wielrenners doen hetzelfde

- Weinig last van wind

Slide 23 - Tekstslide

Tegenwerkende krachten

schuifweerstand
Rolwrijving
Luchtwrijving
vleoistofweerstand
golfweerstand

Slide 24 - Tekstslide

Kracht

Een motor levert aandrijfkracht.

Dit wordt tegengewerkt door rolwrijving en luchtwrijving.

Slide 25 - Tekstslide

η = \frac{​ E ^{​ N u t t i g ​ ​} ​ ​}{​ E ^{​ i n ​ ​} ​} \cdot 100

η: Rendement

Pnuttig: Nuttig gebruikte vermogen (W)(J/s)

Pin: Totale vermogen (W)(J/s)

E = P \cdot t

}

η = \frac{​ P ^{​ N u t t i g ​ ​} ​ ​}{​ P ^{​ i n ​ ​} ​} \cdot 100

Slide 26 - Tekstslide

weerstandskrachten

Schuifweerstand en rolweerstand hangen af van de schuivende en rollende oppervlakken en van de kracht waarmee die op elkaar worden geduwd.
Lucht-, vloeistof- en golfweerstand hangen vooral af van de snelheid en de vorm.

Slide 27 - Tekstslide

Slide 28 - Video

4 factoren waar luchtwrijving van afhangt...

De snelheid (v)
De dichtheid van de lucht
Het frontale oppervlakte (A)
De kwaliteit van de stroomlijn, de luchtweerstandcoëffiënt

C^{​ w ​ ​} - w a a r d e

Slide 29 - Tekstslide

Luchtwrijving

In formule vorm:

Slide 30 - Tekstslide

wat is de eenheid van Cw? bewijs dit.

de eenheid van N?
vul de eenheid van andere grootheden
zet de formule om voor Cw

Slide 31 - Tekstslide

bewijs

c^{​ w ​ ​} = \frac{​ 2 F ​ ​}{​ ρ \cdot A \cdot v ^{​ 2 ​ ​} ​} = \frac{​ ( k g \frac{​ m ​ ​}{​ s ^{​ 2 ​ ​} ​} ) ​ ​}{​ \frac{​ ( k g ) ​ ​}{​ m ^{​ 3 ​ ​} ​} \cdot m ^{​ 2 ​ ​} \cdot \frac{​ m ^{​ 2 ​ ​} ​ ​}{​ s ^{​ 2 ​ ​} ​} ​}

c^{​ w ​ ​} = \frac{​ ( k g \frac{​ m ​ ​}{​ s ^{​ 2 ​ ​} ​} ) ​ ​}{​ \frac{​ ( k g ) ​ ​}{​ m ^{​ 3 ​ ​} ​} \cdot \frac{​ m ^{​ 4 ​ ​} ​ ​}{​ s ^{​ 2 ​ ​} ​} ​} = \frac{​ ( k g \frac{​ m ​ ​}{​ s ^{​ 2 ​ ​} ​} ) ​ ​}{​ ( k g ) \frac{​ m ​ ​}{​ s ^{​ 2 ​ ​} ​} ​}

Slide 32 - Tekstslide

Waarom is de luchtwrijving bij deze fietsen zo verschillend?

de rolwrijwing speelt hier geen rol

de snelheden zijn zeer verschillend

de vorm van de fiets is zo anders

ze zijn voor andere wegdekken.

Slide 33 - Quizvraag

Welke factor heeft er geen invloed om de grootte van de luchtwrijving?

oppervlakte van het voorwerp

snelheid van het voorwerp

de massa van het voorwerp

de dichtheid van de lucht

Slide 34 - Quizvraag

Tijdens een tenniswedstrijd bereikt een tennisbal een snelheid van 150 km/h. De Cw-waarde is 0,47. Maak een schatting van de luchtwrijving. Neem voor de luchtdichtheid 1,3 kg/m3

Ongeveer 2,0 N

Ongeveer 0,05 N

Ongeveer 0,17 N

Ongeveer 26 N

Slide 35 - Quizvraag

Slide 36 - Tekstslide

wat heb je vandaag geleerd? wat is de datum van de 1e tussentoets? wat is de stof hiervan?

Slide 37 - Open vraag

wat heb je

Slide 38 - Tekstslide

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 39 - Tekstslide

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.