Samenvatting Natuurkunde Nova 3VWO (versie 5.1)

Natuurkunde Nova VWO 3 Hoofdstuk 3 energie (versie 5.1)

Paragraaf 1: Energiebronnen

Wat is een energiebron?

• Een energiebron levert energie die we kunnen gebruiken. 
• Drie belangrijke energiebronnen zijn:
  1. Stralingsenergie uit zonlicht dat door zonnecellen wordt omgezet in elektrische energie.
  2. Aardgas dat gebruikt wordt voor het verwarmen van water.
  3. Bewegingsenergie uit wind dat gebruikt wordt door windmolens om elektrische energie op te wekken.

Energiebronnen

• Er zijn verschillende manieren om energie op te wekken. In Nederland worden er 6 gebruikt:
  1. Fossiele brandstoffen
• Aardgas, steenkool en olie worden verbrand. Hierdoor komt de chemische energie in deze stoffen vrij en kan deze worden gebruikt als verwarming of om elektrische energie op te wekken in elektriciteitscentrales.
  2. Biomassa
• Elektriciteitscentrales kunnen ook biomassa zoals afvalhout of plantenresten verbranden. Ook kun je biomassa vergisten waarbij er biogas vrijkomt, wat vergelijkbaar is met aardgas.
  3. Wind
• In wind zit bewegingsenergie. Deze kan door windturbines of windmolens gebruikt worden om elektrische energie op te wekken.
  4. Kernsplijting
• Sommige atomen kunnen splijten. Hierbij komt veel energie vrij die gebruikt kan worden om elektrische energie op te wekken. Let op: dit is iets anders dan chemische energie omdat er bij kernsplijting niks verbrandt.
  5. Zon
• De stralingsenergie van de zon kan op twee manieren worden benut.
• In een zonnecollector wordt stralingsenergie omgezet in warmte, bijvoorbeeld warm water.
• In een zonnecel wordt stralingsenergie omgezet in elektrische energie.
  6. Aardwarmte
• Hoe dieper je in de aarde gaat, hoe warmer het wordt door de aardwarmte. Warm water kan zo uit grote diepte worden opgepompt. Het wordt langs buizen water geleid in een warmtewisselaar waarbij het water niet mengt, maar wel de warmte afgeeft. Vervolgens wordt het water weer teruggepompt naar de diepte waar het vandaan kwam.

Energietransitie

• Fossiele brandstoffen raken ooit op en zijn schadelijk voor het milieu. We zijn dus opzoek naar betere energiebronnen, dit heet de energietransitie. Het nieuwe energiesysteem moet voldoen aan vier eisen:
  1. Duurzaam: het moet niet op kunnen gaan en niet te belastend zijn voor het milieu.
  2. Efficiënt: apparaten moeten zuinig zijn en huizen goed geïsoleerd.
  3. Grote energieopslag: energie die met zonnepanelen overdag moet worden opgeslagen voor ‘s nachts. 
  4. Lokale energie: Energie moet worden opgewekt waar het gebruikt wordt. Bijvoorbeeld een veld zonnepanelen naast een stad of een windmolen naast een fabriek.

Plus: Vermogen van een windmolen

• In Nederland is veel wind, dus ideaal voor windmolens. Windmolens kunnen op land, maar ook op zee staan. 
• De windmolens op zee kunnen veel hoger zijn er hebben veel grote wieken. Hierdoor hebben ze ook een groter vermogen.
• Het vermogen van een windmolen kun je berekenen met:
  
  P = k ∙ v33
  
  
• P = het vermogen dat een windmolen levert (W)
• k = een constante, afhankelijk van de dichtheid van lucht en vorm/grootte van de wieken (geen eenheid)
• v = de windsnelheid (m/s)

Paragraaf 2: Verwarmen

Warmtebronnen

• In huis zijn er verschillende apparaten die warmte maken. 
• Voorbeelden van deze warmtebronnen zijn: een waterkoker, de cv-ketel (cv = centrale verwarming), een föhn en een oven.
• In een waterkoker zit een verwarmingselement waar elektrische energie doorheen gaat. Hierdoor geeft het verwarmingselement warmte af en kun je zo water verwarmen.
• Een energiestroomdiagram laat de energieomzetting in de waterkoker zien.
  
• Links zie je de energie die door de waterkoker in gaat en rechts zie je de energie die de waterkoker afgeeft.
• Volgens de wet van behoud van energie gaat energie nooit verloren, alleen de soort energie kan veranderen, dit is de kwaliteit van de energie.
• De dikte van de pijl geeft aan om hoeveel energie het gaat, de kwantiteit. Aangezien er nooit energie verloren gaat is de dikte van de pijl erin gelijk aan de dikte van de twee pijlen eruit.

Warmte en temperatuur

• Wanneer je water verwarmt gaan de watermoleculen sneller bewegen en stijgt de temperatuur. 
• Bij 100 °C bewegen de moleculen zo snel dat ze loskomen van de vloeistof en overgaan in een gas: het water kookt.
• Hoe meer warmte er in het water gaat, hoe meer energie er in het water zit. Door deze energie gaan de moleculen sneller bewegen en stijgt de temperatuur.
• Warmte en temperatuur zijn niet hetzelfde. Als je een hele grote bak water hebt en er warmte in stopt, zal de temperatuur maar een beetje stijgen.
• Als je een klein kopje water hebt en er warmte in stopt, zal de temperatuur veel meer stijgen. 

Proeven met een warmtemeter

• Met een warmtemeter kun je de hoeveelheid warmte die nodig is om een bepaalde hoeveelheid water te verwarmen meten. 
• Een warmtemeter bestaat uit een bakje water dat door een dompelaar wordt verwarmd. 
• Daarnaast zit er een roerder in die het water goed verdeeld en een thermometer die de temperatuur meet.
• Er zijn drie dingen die je dan meet:
  1. de hoeveelheid stof die je hebt
  2. de energie die de dompelaar gebruikt
  3. de verandering in temperatuur
• Stel dat je 200 g water hebt verwarmd met 10 °C en je had hier 8400 J voor nodig, dan kun je de soortelijke warmte van water berekenen. Dit is een eigenschap van een stof die zegt hoeveel joule energie je nodig hebt om 1 gram met 1 °C te laten stijgen.

Rekenen met soortelijke warmte

• De warmte die je nodig hebt om een bepaalde stof te verwarmen kun je berekenen met:
  
  Q = c · m · ΔT
  
• Q = de energie die nodig is (J)
• c = de soortelijke warmte (J/(g °C))
• m = de massa (g)
• ΔT = het temperatuurverschil (°C)

Plus: De warmtepomp

• Met een warmtepomp kun je een huis in de winter verwarmen en in de zomer verkoelen.
• Een warmtepomp bestaat uit een buizensysteem dat deels in huis en deels buiten huis ligt.
• In de buizen zit een vloeistof. Deze vloeistof verdampt buiten het huis en neemt hierbij warmte op van de omgeving.
• Vervolgens wordt het gas via de buizen naar binnen gepompt waar een compressor het samendrukt waardoor het condenseert. Hierbij wordt het gas vloeibaar en komt er warmte vrij.
  
• Op deze manier kun je warmte van buiten naar binnen halen, ook wanneer het buiten kouder is.
• Door de warmtepomp om te draaien kun je ook warmte van binnen naar buiten transporten om je huis in de zomer af te koelen.

Paragraaf 3: Isoleren

Warmteverlies

• Warmteverlies kan op drie manieren plaatsvinden:
  1. Geleiding
• De warmte gaat door een stof heen omdat de moleculen in de stof tegen elkaar aanbotsen.
• Hout, plastic en piepschuim zijn voorbeelden van materialen die slecht geleiden.
• Metalen zijn erg goede geleiders, maar ook bakstenen en glas geleiden warmte.
  2. Stroming
• Een warme stof zoals lucht of water verplaatst zich en zo verplaatst de warmte zich. 
• De lucht bij een verwarming wordt warm, stijgt op en verplaatst zich door de kamer. Dit heet convectie en zo wordt de hele kamer warm.
• Gassen en vloeistoffen zorgen voor goede stroming.
• Vaste stoffen gaan stroming tegen.
  3. Straling
• Objecten die warm zijn zenden warmtestraling uit. Op deze manier verliezen ze warmte. Je kunt iets inpakken in een spiegelende stof om deze straling weer terug te kaatsen zoals aluminiumfolie.

Dynamisch evenwicht

• Wanneer het buiten kouder is dan binnen verliest je huis continu warmte. Dit gaat via verschillende onderdelen.
  
• Om binnen dezelfde temperatuur te houden moet de verwarming dezelfde warmteproductie hebben als dat je huis aan warmteverlies heeft.
• Als het buiten kouder wordt, verliest je huis meer warmte en moet je de verwarming dus hoger zetten.
• Er is tussen het warmteverlies en de warmteproductie in je huis een dynamisch evenwicht. Wordt de ene groter, dan moet de andere ook groter worden.
• Om het warmteverlies te beperken kun je zorgen voor goede isolatie. Dan hoeft de verwarming ook minder hoog te staan.

Muurisolatie

• Door muren kan warmteverlies plaatsvinden. Verschillende soorten materiaal hebben een verschillende U-waarde. 
• Deze zegt iets over hoe goed ze warmteverliezen. Je wilt een muur hebben met een zo klein mogelijke U-waarde.
• Door de muren te isoleren met bijvoorbeeld glaswol of steenwol gaat de U-waarde van de muur naar beneden.
• Om het warmteverlies door een muur te berekenen gebruik je de volgende formule:
  
  Q�w = U · A · ΔT
  
• Q�w = het warmteverlies (J/s)
• U = de U-waarde van de muur (W/(m22 °C))
• A = het oppervlak van de muur (m22)
• ΔT = het verschil in temperatuur aan de binnenkant en buitenkant van de muur (°C). 

Een huis isoleren

• Je kunt een huis isoleren op de volgende manieren:
  • Ramen vervangen door hr+++ glas. Dit glas heeft een speciale coating en is gevuld met argon gas waardoor de U-waarde sterkt daalt en er minder warmteverlies is.
  • Tochtstrips plaatsen die de stroming van lucht tegengaan.
  • Extra isolatie aanleggen bij daken, vloeren of tussen muren, bijvoorbeeld steenwol of glaswol.
  • Leidingen waar warm water doorheen gaat isoleren.

Plus: Energieneutraal wonen

• Gemiddeld waren de energie kosten voor gas en elektriciteit per huis in 2019 rond de 1800 euro. 
• Door betere isolatie kun je dit bedrag verlagen en bespaar je dus ieder jaar op je energiekosten.
• Ook kun je ervoor zorgen dat je zelf energie gaat produceren met zonnepanelen of zonnecollectoren.
• Als je even veel energie produceert als dat je gebruikt, ben je energieneutraal. Dan heb je geen energiekosten meer.

Paragraaf 4: Rendement

Energie besparen

• Als je kijkt naar de formule om energie te berekenen E = P · t, dan zie je dat je op twee manieren energie kunt besparen:
  • je kunt apparaten gebruiken met een kleiner vermogen.
  • je kunt appraten minder lang gebruiken.
• Je kunt niet altijd kiezen voor apparaten met een kleiner vermogen. Een lamp geeft dan bijvoorbeeld minder licht. Een derde manier om energie te besparen is om apparaten te kiezen met een hoog rendement. Hoe hoger het rendement hoe meer energie er nuttig gebruikt kan worden.
• Een gloeilamp heeft een rendement van 10%, dus maar 10% van de totale energie wordt nuttig gebruikt.
  
• Een Ledlamp heeft een rendement van 50%, dus wel 50% van de totale energie wordt nuttig gebruikt.
  
• Je kunt dan een Ledlamp met een veel lager vermogen kiezen en dus energie besparen.

Het rendement berekenen

• Het rendement kun je berekenen met de volgende formule:
  
  η = ��������EtotEnut · 100%
  
  
• η = (η = èta, een Griekse letter) het rendement (%)
• ����Enut = de nuttige energie (J)
• ����Etot = de totale energie (J)
  
  
• Je kunt op dezelfde manier het rendement van een apparaat berekenen wanneer je het vermogen weet:
  
  η = ��������PtotPnut · 100%
  
  
• η = het rendement (%)
• ����Pnut = het nuttige vermogen (W)
• ����Ptot = het totale vermogen (W)

Het rendement van een hr-combiketel

• Wanneer je een stof verbrandt komt er energie vrij. De hoeveelheid energie die vrijkomt heeft te maken met twee factoren:
  1. de hoeveelheid stof
  2. de soort stof
• Verschillende stoffen geven andere hoeveelheden energie af bij verbranding. De stookwaarde geeft aan hoeveel energie er vrij komt wanneer je 1 m33 van een stof verbrandt. 
• Aardgas heeft een stookwaarde van 32 MJ/m33. Dus per 1 m33 die wordt verbrand, komt er 32 MJ vrij. 
• Voor stookolie is de stookwaarde 40 000 MJ/m33, dus bijna 1000 keer meer.
• In een hr-combiketel (hr = hoog rendement) wordt aardgas verbrand om warm water te maken wat je kunt gebruiken voor de verwarming of om te douchen. 
• Vroeger hadden ketels een rendement van rond de 65%, tegenwoordig rond de 90%, vandaar de hr-afkorting.

Plus: Restwarmte nuttig gebruiken

• Bij het opwekken van elektrische energie in een elektriciteitscentrale kan niet alle energie nuttig gebruikt worden. Ronde 60% van de energie kan niet gebruikt worden en is warmte.
• Een energiecentrale kan met warmtekrachtkoppeling de warmte hergebruiken en zo slechts een verlies van 20% energie hebben en dus een rendement van 80%.
• Ook fabrieken hebben vaak warmte over. Deze warmte wordt industriële restwarmte genoemd. De industriële restwarmte kan gebruikt worden om huizen in de omgeving te verwarmen.