ISAAC-moment
Inhoud
1.2.5Thermische
1.2.6Elektrische
5.2.1Zonne-energiecentrales
5.2.4Zonneoven
5.2.5Energieopwekkende zonnewering
5.2.6Doorzichtige zonnepanelen
5.3Energie
5.3.1Stille windturbines
5.3.2Windturbines met een verticale
in de lucht
5.3.4Windturbines zonder wieken
5.4Energie
5.4.1Getijdenenergie
5.4.2Blauwe energie
5.4.3Golfslagenergie
5.5.1Geothermische
Boemerangblikje
Open het filmpje via de QR-code.
In dit filmpje zie je hoe een blikje terugrolt nadat iemand er een duwtje tegen geeft. Wat is hier aan de hand?
Kan je verklaren wat men met het blikje gedaan heeft om dit effect te bekomen? Noteer.
1Energievormen
We gebruiken of horen het woord energie zo goed als dagelijks, vooral in deze wereld waar energie een hot topic is geworden dat ons allen aanbelangt. Het internet zit boordevol websites over energie en energieverbruik.
In ons hoofd spelen tal van vragen over energie:
• Hoe kunnen we onze woning zo energiezuinig mogelijk maken?
• Welke energiebronnen gebruiken we het best om ons van energie te voorzien?
• Hoeveel energie zit er in die reep chocolade?
• Koop ik nu best een volledig elektrische auto?
• Hoeveel energie verbruikt die koelkast in de winkel?
• We staan er waarschijnlijk niet bij stil hoe vaak we de grootheid energie tegenkomen. In deze module bekijken we deze grootheid naderbij.
1.1Energie
Waarschijnlijk kwam het woord ‘energeia’ (Oudgrieks: ἐνέργεια) voor het eerst voor in het werk van Aristoteles in de 4de eeuw v.Chr. Dit begrip had toen echter een heel andere en filosofische betekenis.
Eind 17de eeuw gebruikte Gottfried Leibniz als eerste de term ‘vis viva’, of levende kracht. Hij definieerde dit als het product van de massa van een object en zijn snelheid in het kwadraat. Bovendien zei hij dat de totale vis viva behouden blijft. De link met wat wij nu energie noemen, is evident. De term vis viva werd voor het eerst vervangen door ‘energie’ door Thomas Young in 1807
Energie is een belangrijke fysische grootheid die betrekking heeft op talloze natuurkundige verschijnselen. Energie is een meetbare eigenschap van deze fysische verschijnselen die tegenwoordig in joule wordt uitgedrukt. Aangezien de natuurkundige verschijnselen waar de grootheid betrekking op heeft zo uiteenlopend zijn, wordt de energie voor elk van deze ook op een andere manier berekend en gemeten. Men spreekt van kinetische energie, stralingsenergie, zwaarte-energie, thermische energie, elastische energie, mechanische energie, kernenergie, elektrische energie. We bespreken deze energievormen verder in deze module.
Als we energie definiëren, moeten we dat dus heel algemeen doen. Tegenwoordig definiëren we energie als volgt.
Energie is de mogelijkheid om een verandering teweeg te brengen. GROOTHEID
De eenheid joule is de SI-eenheid van energie, genoemd naar de Engelse natuurkundige James Prescott Joule (1818 – 1889).
De joule is gedefinieerd als de energie die nodig is om een systeem te verplaatsen met een kracht van 1 newton over een afstand van 1 meter. De massa van dat systeem is hierbij niet van belang:
1J = 1N ⋅ m = 1 kg ⋅ m2 s2
Er zijn ook andere vaak gebruikte eenheden van energie die we hier toch al even vermelden.
1 eV = 1 elektronvolt 1,602 ⋅ 10 19 J
1 kWh = 1 kilowattuur
3,6 MJ
1 kcal = 1 kilocalorie 4,184 kJ
Later gaan we hier dieper op in.
De eenheid joule (J) is een kleine eenheid. Men gebruikt daarom vaak kJ en MJ
Een energiebron is iets wat energie bevat.
Een energievorm is de manier waarop energie voorkomt.
Tegenwoordig spreekt men ook veel over duurzame energie. Duurzame energie is hernieuwbare energie. Dit is energie die voor ons nuttig en bruikbaar is en waarvan de energiebron – voor ons –onbeperkt bruikbaar blijft, denk maar aan zonne-energie of windenergie.
Bij de bespreking van de energievormen komt ook duurzame energie aan bod.
1.2Energievormen
Er zijn heel wat energievormen, we bespreken ze in wat volgt.
1.2.1 Zwaarte-energie
Rondom de aarde bevindt zich, zoals we al weten, het zwaarteveld. Een systeem dat zich op een hoogte h boven het aardoppervlak bevindt, bevindt zich in dat zwaarteveld en bezit daardoor zwaarte-energie
Op een systeem op een hoogte h in het zwaarteveld werkt de zwaartekracht. Als het systeem los is, zal het onder invloed van de zwaartekracht vallen. De zwaarte-energie heeft zo de mogelijkheid om een verandering teweeg te brengen.
Het zwaarteveld wordt ook wel gravitatieveld genoemd, deze energievorm wordt dus ook wel gravitatie-energie genoemd.
Een systeem dat zich op een hoogte h boven het aardoppervlak bevindt, bezit zwaarte-energie (of gravitatie-energie).
De hoeveelheid zwaarte-energie berekenen we met de formule:
Ez = m · g · h
Waarbij:
m = massa (kg)
g = zwaarteveldsterkte N kg
h = hoogte (m)
Het systeem kan een deel van die zwaarte-energie afgeven door naar de aarde toe te bewegen over een afstand h;
Of:
Het systeem kan extra zwaarte-energie opnemen om zo over een hoogte h te stijgen ten opzichte van het aardoppervlak.
We controleren even de eenheden:
1kg N kg m = 1N m = 1J
De hoogte h wordt gemeten ten opzichte van een referentieniveau of referentiepunt dat vooraf gekozen wordt. Meestal wordt hier het aardoppervlak gekozen, maar je kan evengoed een tafel op 1,0 m hoogte als referentiepunt kiezen. In vraagstukken zal toch veelal het verschil in zwaarte-energie spelen. m h
Een systeem bezit zwaarte-energie door zijn positie in het zwaarteveld, zwaarte-energie is dan ook een potentiële energie. Soms gebruikt men dan ook de notatie Ep,z, voor potentiële zwaarte-energie.
Een wagentje op een achtbaan bezit op het moment dat het bovenaan de achtbaan aan zijn rit begint, veel zwaarte-energie.
1.2.2 Kinetische energie
Een systeem dat beweegt, bezit kinetische energie. We noemen deze energievorm dus ook wel bewegingsenergie.
Omgekeerd heb je ook een hoeveelheid energie nodig om een systeem in beweging te krijgen. Je geeft op die manier het systeem kinetische energie.
Deze kinetische energie is afhankelijk van de snelheid en de massa van het systeem. Een tennisbal is immers makkelijker in beweging te brengen dan een zware basketbal.
Een systeem met massa m en snelheid v bezit door zijn snelheid kinetische energie:
Ek = 1 2 m ⋅ v 2
Waarbij:
m = massa (kg)
v = snelheid m s
We controleren de eenheden:
1kg m s 2 = 1kg m2 s2 = 1J
Bewegingsenergie wordt ook gebruikt in elektrische centrales: via turbines wordt kinetische energie omgezet in elektrische energie. Tegenwoordig wordt ook in hybride auto’s bewegingsenergie omgezet in elektrische energie. Tijdens het remmen worden de wielen afgeremd met een dynamo, pas in tweede instantie treden de remmen in werking.
We merken de aanwezigheid van een grote hoeveelheid energie in bewegende systemen bijvoorbeeld aan de gevolgen van een botsing van auto’s. Tijdens de impact bij een botsing kan de kinetische energie van de voertuigen enorme gevolgen hebben. Deze energie kan dus zeker een verandering teweegbrengen.
Bovendien merken we dat de schade toeneemt als de snelheid van de voertuigen groter is, en ook als de massa groter is. Een ongeval met een vrachtwagen heeft immers veelal nog ergere gevolgen. Spijtig genoeg werd deze energievorm ook al door terroristen gebruikt om aanslagen te plegen.
Tijdens zijn rit bereikt het wagentje op een achtbaan een grote snelheid, het heeft dan veel kinetische energie.
Een ongeval met een trein heeft altijd een grote impact, ten gevolge van de snelheid, maar natuurlijk ook van de grote massa van de trein.
Vuurwapens schieten kogels af met een zeer hoge snelheid. Door hun hoge snelheid kunnen ze heel wat schade aanrichten.
1.2.3
Elastische energie
Elastische energie is opgeslagen in elastische systemen als gevolg van een elastische vervorming van dat systeem. Deze energie komt vrij wanneer het vervormd systeem zich ontspant.
Het meest voor de hand liggende voorbeeld is hier de veer. Elastische energie wordt daarom ook wel veerenergie genoemd.
Een uitgerekte (of ingedrukte) veer bevat elastische energie. Een veer met veerconstante k, die uitgerekt (of ingedrukt) is over een afstand Δl bevat een elastische energie:
Ev = 1 2 k ⋅ (Δl)2
Waarbij: k = veerconstante N m
Δl = uitrekking (of indrukking) (m)
We controleren de eenheden:
1 N m ⋅ m2 = 1N ⋅ m = 1J
Ook andere elastische systemen bezitten elastische energie. Denk maar aan een boog, een elastiek of een springplank in een zwembad. Ook zij zijn in staat om een verandering teweeg te brengen. Zo kan een flipperkast een balletje wegschieten, een boog een pijl wegschieten, een elastiek een prop doen wegvliegen …
Elastische energie wordt ook gebruikt als energieopslag. Energie wordt daarbij tijdelijk in een elastisch systeem opgeslagen.
Tijdens het boogschieten wordt de boog vervormd, waardoor elastische energie opgeslagen wordt in de boog. Als de boog en de pijl losgelaten worden, is het die energie die ervoor zorgt dat de pijl met grote snelheid wegvliegt.
In sommige uurwerken en wekkers zitten bladveren die opgespannen worden als het uurwerk opgewonden wordt. Deze elastische energie zorgt er dan voor dat de wijzers van het uurwerk ronddraaien.
Verder zitten in heel wat gebruiksvoorwerpen nog veren waarin de energie tijdelijk opgeslagen wordt.
Kan jij nog een voorwerp bedenken waarin elastische energie wordt opgeslagen? Noteer.
1.2.4
Chemische energie
Chemische energie is opgeslagen in een stof. De chemische energie komt vrij of wordt opgenomen tijdens een chemische reactie.
Bij die chemische reactie worden bindingen verbroken, wat energie kost, maar ook nieuwe bindingen gevormd, waar dan weer energie bij vrijkomt. Als meer energie vrijkomt dan er energie verbruikt wordt bij de chemische reactie, komt er in totaal dus chemische energie vrij. Als er meer energie verbruikt wordt dan dat er energie vrijkomt bij de chemische reactie, wordt chemische energie opgenomen.
In voedsel of in een brandstof is chemische energie opgeslagen, die vrijkomt bij een chemische reactie. Voor de hand liggende voorbeelden zijn dus het verbranden van voedsel in je lichaam of het verbranden van een brandstof zoals benzine in een motor.
In onderstaande tabel kan je de energiewaarde van een aantal brandstoffen vinden.
BRANDSTOFENERGIEWAARDE
VLOEIBAAR
In de volgende tabel kan je de voedingswaarde van een aantal voedingsmiddelen vinden.
De energie wordt hierbij genoteerd in kJ maar ook in kcal, net zoals op voedingsmiddelen. Een kilocalorie is 1000 calorieën (1 kcal = 1 · 103 cal), wat een verouderde eenheid is voor energie en warmte. Ondertussen is de calorie officieel vervangen door de joule, maar ze wordt nog steeds gebruikt. Vooral in de voedingsindustrie vinden we de kcal nog steeds terug.
1 kilocalorie = 1 kcal = 4,184kJ = 4,184 · 103 J
VOEDINGSMIDDEL (per 100 g)
Aardappelen (gekookt) 82 346
Appelsap 42 180
Avocado 188 790
Biefstuk 127 534
Boerenbrood 307 1287
Chips 554 2318
Frietjes 327 1368
Hummus 242 1016
Kaas (jong) 193 810
Kip 165 694
Kiwi 48205
Koffie (zwart) 00
Limonade 41 170
Melk (vol) 62 261
Pizza (gemiddeld) 203 852
Quorn (vleesvervanger) 141 594
Snoep (gemiddeld) 398 1668
Thee (met suiker) 10 45
Tonijn (naturel, in blik) 114 480
Zalm 200 839
Heel wat toestellen die we vandaag de dag gebruiken, bevatten een batterij. Denk maar aan een auto, een rekenmachine, een smartphone, een uurwerk, een keukenweegschaal, speelgoed
In een batterij wordt chemische energie opgeslagen. De batterijen die we in de toestellen gebruiken, zijn lang niet allemaal gelijk, maar ondanks dat de grondstoffen die ze bevatten verschillen, maken ze toch altijd gebruik van hetzelfde basisprincipe: de chemische stoffen in de accu’s worden omgezet in elektrische energie.
1.2.5 Thermische energie
Thermische energie kennen we ook als warmte-energie.
De thermische energie is de totale bewegingsenergie van de structurele elementen (atomen, moleculen ...) van een systeem.
Hoe heftiger moleculen bewegen, hoe verder ze zich uit elkaar bevinden, hoe hoger hun totale inwendige energie. Als je koud hebt, ga je rillen van de kou. Op die manier zet jouw lichaam chemische energie om in thermische energie.
Thermische energie kan ook opgeslagen worden. Warmte-koudeopslag (WKO) is een techniek waarmee in de zomer overtollige warmte in het grondwater wordt opgeslagen, voor nuttig gebruik in de winter. Bij warm weer wordt het koele grondwater gebruikt om een woning duurzaam en comfortabel te koelen. De energie wordt dan aan het gebouw onttrokken en gaat als warm water in de grond. Bij koud weer gebeurt het tegenovergestelde, dan verwarmt het warme water uit de grond het gebouw.
1.2.6 Elektrische energie
Materie bestaat uit atomen die bestaan uit een kern waarrond elektronen bewegen. De kern bestaat dan weer uit één of meerdere protonen en neutronen. Elk van die protonen en neutronen bevatten drie quarks.
Deze elementaire deeltjes zijn ofwel neutraal (neutron), ofwel positief (proton, upquark), ofwel negatief (elektron, downquark).
Ladingen zijn dus ingebakken in de materie. Elektrische energie is een gevolg van de elektrostatische eigenschappen van deze geladen deeltjes. Ladingen hebben een effect op elkaar, gelijksoortige ladingen stoten elkaar af en ongelijksoortige trekken elkaar aan. Deze krachtwerking werkt op afstand, dat wil dus zeggen dat er geen rechtstreeks contact moet zijn tussen de twee ladingen.
Je kan dit vergelijken met de aantrekkingskracht van de aarde, de zwaartekracht. We zagen dat er zich rondom de aarde een zwaarteveld bevindt, dat elke massa in dat zwaarteveld een zwaartekracht Fz = m · g ondervindt en dat elke massa in dat zwaarteveld zwaarte-energie Ez = m · g · h bezit. Deze energie is te wijten aan de positie in het zwaarteveld en is dus een potentiële energie: potentiële zwaarte-energie.
Rondom een lading heerst er een elektrisch veld. Elke (andere) lading in dat elektrisch veld ondervindt een aantrekkings- of afstotingskracht, die we later de coulombkracht zullen noemen, en bezit dus elektrische energie Eel. Deze energie is te wijten aan de positie in het elektrisch veld en is dus een potentiële energie. We noemen deze elektrische energie dus ook wel potentiële elektrische energie Ep, el.
Deze elektrische energie vind je ook in elektrische schakelingen. Als de schakeling een lampje bevat, dan wordt de elektrische energie omgezet in licht (stralingsenergie) als het lampje brandt. Als de schakeling een mixer bevat, dan draait de mixer en wordt de elektrische energie omgezet in kinetische energie. Elektrische energie wordt in veel toepassingen gebruikt en dus in heel wat energievormen omgezet.
In een elektriciteitscentrale wordt kinetische energie met behulp van een turbine omgezet in elektrische energie.
1.2.7 Stralingsenergie
Stralingsenergie is de energie uit elektromagnetische straling.
De term wordt meestal gebruikt voor radiogolven, zonne-energie, verwarming en verlichting, maar soms ook bij telecommunicatie.
Als we het elektromagnetisch spectrum bekijken, zien we dat het bestaat uit verschillende soorten elektromagnetische golven, waarvan slechts een klein deel zichtbaar is voor de mens.
Elektromagnetisch spectrum
Röntgenstralen
stoffen
stralen
Grootte van een gebouw
ZICHTBAAR LICHT
Grootte van een atoom
De verschillende soorten elektromagnetische golven verschillen van elkaar door hun golflengte, en dus ook door hun frequentie.
De frequentie geeft het aantal trillingen per seconde weer. Hoe hoger deze frequentie, hoe hoger de energie van de elektromagnetische golf.
We zien zo dat radiogolven, microgolven en infrarood licht een lagere energie hebben dan zichtbaar licht. Uv-licht, röntgenstralen en gammastraling hebben een hogere energie. De radioactieve gammastralen zijn dan ook de gevaarlijkste van alle elektromagnetische golven.
golflengte in nanometer
Radiogolven
Microgolven
Infrarood licht
Zichtbaar licht
Ultraviolet licht
Röntgenstralen
Gammastralen
Ook in het zichtbaar deel van het elektromagnetisch spectrum verschilt de golflengte en dus ook de frequentie naargelang de kleur. Blauw licht heeft de grootste frequentie en dus de hoogste stralingsenergie.
WIST-JE-DAT
De zon produceert genoeg energie op ongeveer één uur om de aarde gedurende een heel jaar te voorzien van energie. Het is dus nog een hele uitdaging om de energie van de zon nog meer te gaan gebruiken. Zonne-energie is een duurzame vorm van energie die je vast kent van zonnepanelen en zonneboilers. Deze systemen nemen zonlicht op en zetten het om in elektriciteit.
1.2.8
Kernenergie komt voort uit interacties tussen protonen en neutronen van een atoom en heeft te maken met de sterke kernkracht. De energie die vrijkomt als atoomkernen samensmelten of uiteenvallen, noemen we kernenergie.
Kernenergie
Bij kernsplijting vallen instabiele atoomkernen uit elkaar na impact van een neutron. Bij dit proces komt energie vrij.
Bij kernfusie gaan atoomkernen van verschillende atomen samensmelten tot een andere zwaardere kern. Bijvoorbeeld als twee isotopen van waterstof (deuterium en tritium) samensmelten, komt een deel van hun bindingsenergie vrij. Dit proces gebeurt ook in de zon.
Welke energievormen spelen een rol in de volgende situaties? Noteer.
Een Formule 1-auto vertrekt vanuit stilstand.
Een laptop staat aan. a b c d e f g h
Een schoonmaker stofzuigt.
Met een katapult schiet je een steentje hoog in de lucht.
Een atoombom ontploft.
In de winter wrijf je je koude handen over elkaar.
Een raket wordt gelanceerd vanaf de ruimtebasis Cape Canaveral.
Je fietslicht brandt door middel van een dynamo.
2Arbeid
We gebruiken het woord arbeid vaak in het dagelijkse leven. We denken dan onmiddellijk aan werken, in een fabriek, een bureau of thuis aan je computer. In fysica heeft arbeid een andere betekenis. Je levert bijvoorbeeld arbeid als je de trap op loopt, een zware doos verschuift, een slee over de sneeuw trekt of een eindje gaat fietsen. Een kraan levert arbeid om een container op een schip te plaatsen, jouw auto levert arbeid tijdens het rijden …
Om arbeid te kunnen leveren heb je energie nodig.
Arbeid is de energie die nodig is om een systeem met een bepaalde kracht over een bepaalde afstand te bewegen.
arbeid W joule J
De eenheid joule is, net als bij energie, de SI-eenheid van arbeid.
1J = 1N m = 1 kg m2 s2
2.1Formule voor arbeid bij een constante kracht
Om van arbeid te kunnen spreken is er een kracht en een verplaatsing nodig. Dat lezen we duidelijk in de definitie.
De arbeid die een kracht verricht, is immers de hoeveelheid energie die door de kracht wordt omgezet voor een beweging, zoals stappen, lopen, fietsen, autorijden, maar ook het verplaatsen van een container, een bal, een slee ... Naast een kracht, hebben we voor het verrichten van arbeid dus ook een verplaatsing nodig. Bovendien moet de kracht voor de verplaatsing zorgen, we bekijken even een aantal voorbeelden.
VOORBEELD IS ER EEN KRACHT EN EEN VERPLAATSING?
Een container wordt omhoog gehesen. Ja Ja
ZORGT DE KRACHT VOOR DE VERPLAATSING? IS ER ARBEID GELEVERD?
Ja, de kracht uitgeoefend door de kraan levert de arbeid.
VOORBEELD IS ER EEN KRACHT EN EEN VERPLAATSING?
Een vrouw werkt op de computer. Nee, er is geen verplaatsing.
Een mama trekt een slee vooruit. Ja
Een gewichtheffer heft zijn halter van aan zijn borst tot boven.
Een gewichtheffer houdt de halter zo lang mogelijk stil boven zijn hoofd.
Een bootje trekt een waterskiër voort.
ZORGT DE KRACHT VOOR DE VERPLAATSING? IS ER ARBEID GELEVERD?
De component F′ = F · cos α zorgt voor de verplaatsing.
Ja, de component F′ = F · cos α levert de arbeid.
Ja, de spierkracht van de gewichtheffer levert de arbeid.
Ja, de kracht van de boot levert de arbeid.
VOORBEELD IS ER EEN KRACHT EN EEN VERPLAATSING?
Een tennisbal valt naar beneden. Ja
De wrijvingskracht remt een rollende voetbal af tot hij stil ligt. Ja
Een man loopt over de straat met zijn tas in zijn hand. Ja
ZORGT DE KRACHT VOOR DE VERPLAATSING? IS ER ARBEID GELEVERD?
Ja, de zwaartekracht levert de arbeid.
De zwaartekracht zorgt hier voor de verplaatsing.
Ja. De kracht is hier tegengesteld aan de verplaatsing en levert dus negatieve arbeid (zie verder). Eigenlijk zorgt de wrijvingskracht voor een verplaatsing tegengesteld aan de bewegingsrichting van de voetbal.
Ja, de wrijvingskracht levert arbeid.
Nee
Nee, de spierkracht van de man staat loodrecht op de verplaatsing en zorgt dus niet voor de verplaatsing.
We zien dat een kracht geen arbeid levert als ze loodrecht staat op de verplaatsing.
Als een kracht dezelfde richting heeft als de verplaatsing, dan levert de kracht arbeid. Die arbeid kan positief of negatief zijn. De arbeid is positief als de kracht dezelfde zin heeft als de verplaatsing, en negatief als de kracht een tegengestelde zin heeft als de verplaatsing.
We kunnen hierbij de arbeid berekenen met de formules W = F · Δx of W = –F · Δx
Als de kracht een hoek α maakt met de verplaatsing, dan levert enkel de component van de kracht die volgens de verplaatsing gericht is arbeid. In dat geval kunnen we de arbeid berekenen met de formule W = F · Δx · cos α
Deze laatste formule geldt dus voor alle mogelijkheden:
Als #–F loodrecht staat op Δx: α = 90° dus W = F · Δx · 0 = 0
Als #–F dezelfde richting en zin heeft als Δx: α = 0° dus W = F
Als #–F dezelfde richting, maar een tegengestelde zin heeft als Δx: α = 180° dus W = F · Δx · (–1) = –F · Δx
Als #–F een hoek α maakt met Δx, is de arbeid W = F · Δx · cos α
De arbeid die een kracht #–F verricht op een systeem dat een verplaatsing Δx ondergaat, is:
W = F · Δx · cos α
Waarbij:
F = kracht (N)
Δx = verplaatsing (m)
α = hoek tussen kracht en verplaatsing (° of rad)
Let op de instelling van je rekenmachine (° of rad) bij de berekening van cos α.
We controleren de eenheden:
1 N · m = 1 J
We kunnen de arbeid ook grafisch bepalen. Als we de component van de kracht die zorgt voor de verplaatsing, F′, uitzetten tot de verplaatsing, krijgen we onderstaande grafiek. De kracht is hier constant gedurende de hele verplaatsing Δx.
Het berekenen van de arbeid komt neer op het berekenen van de oppervlakte van de ingekleurde rechthoek: Opp = F′ · Δx = F · cos α · Δx
W = F · Δx · cos α
= Opprechthoek
De arbeid die een kracht #–F verricht op een systeem dat een verplaatsing Δx ondergaat, is gelijk aan de oppervlakte onder de F′(x)-kromme voor het interval Δx.
2.2Arbeid-energietheorema
De arbeid die verricht wordt op een systeem kan berekend worden met de resulterende kracht via de formule W = F · Δx · cos α.
We weten ondertussen dat, als een resulterende kracht werkt op een systeem, dit systeem een verandering van bewegingstoestand zal ondergaan. Hierbij zal de snelheid veranderen, van grootte of van richting en zin. Het systeem kan hierdoor bijvoorbeeld versnellen.
Arbeid kan zo zorgen voor een snelheidsverandering. Bij een snelheidsverandering verandert de kinetische energie van het systeem.
Het arbeid-energietheorema zegt nu het volgende.
Arbeid-energietheorema
De arbeid verricht op een systeem door de resulterende kracht, is gelijk aan de verandering van de kinetische energie van het systeem:
W = ΔEkin
Voorbeeld 1
We bekijken het voorbeeld van speerwerpen. Hierbij oefent men spierkracht uit, deze spierkracht verricht arbeid, de kinetische energie van de speer neemt toe.
Wspierkracht = ΔEkin
Voorbeeld 2
We laten een bal los op een hoogte h = 5,0 m. De bal valt naar beneden, de zwaartekracht #–Fz oefent een kracht uit op de bal waardoor die een verplaatsing h ondergaat. We verwaarlozen de luchtwrijving. De zwaartekracht verricht hier dus een arbeid:
Wzwaartekracht = Fz ⋅ h = m ⋅ g ⋅ h
De bal krijgt tijdens zijn val een steeds grotere snelheid, hij versnelt. Zijn kinetische energie neemt toe. Net voor de bal de grond raakt, heeft hij een snelheid v en een kinetische energie Ek:
Ek = 1 2 ⋅ m ⋅ v2
De arbeid verricht door de zwaartekracht, is gelijk aan de verandering van de kinetische energie van de bal:
Wzwaartekracht = Fz ⋅ h = m ⋅ g ⋅ h
= ΔEk = 1 2 ⋅
m ⋅ v 2 (aangeziendebeginsnelheidvandebalnulis)
Als we dit verder uitwerken, zien we dat de massa van de bal wegvalt en hier dus geen rol speelt:
✚ ✚ m g h = 1 2 ✚ ✚ m v2
⟺ v2 = 2 g h
⟺ v = 2 ⋅ g ⋅ h
In ons voorbeeld geeft dat
v = 2 ⋅ g ⋅ h
= 2 ⋅ 9,81 m s2 ⋅ 5,0m
= 9,9 m s
= 36 km h
2.3Arbeid en energieomzetting
Bij het verrichten van arbeid wordt steeds energie omgezet:
In het voorbeeld van het speerwerpen wordt chemische energie via de arbeid van de spierkracht omgezet in kinetische energie van de speer.
Bij het vallen van de bal wordt de zwaarte-energie via arbeid van de zwaartekracht omgezet in kinetische energie. Als we arbeid leveren op een systeem door het omhoog te heffen, dan krijgt dat systeem daardoor zwaarte-energie. Vervolgens kan het systeem door te vallen die zwaarte-energie weer omzetten in kinetische energie.
Door een veer uit te rekken lever je arbeid. Die arbeid verhoogt de elastische energie van de veer. De veer kan op zijn beurt arbeid leveren en een systeem wegschieten, zo wordt de elastische energie van de veer omgezet in kinetische energie van het systeem.
We bekijken in wat volgt energieomzettingen naderbij.
3Energieomzettingen
Op aarde worden de verschillende energievormen voortdurend in elkaar omgezet. Dat gebeurt echter niet zomaar: we moeten rekening houden met een belangrijke natuurwet, de wet van behoud van energie.
We bekijken om te beginnen even die wet naderbij.
3.1Wet van behoud van energie
Wet van behoud van energie
De totale energie in een geïsoleerd systeem blijft altijd constant.
Het is onmogelijk energie te creëren of te vernietigen. Energie kan wel omgezet worden van de ene vorm naar de andere of overgedragen worden van het ene systeem naar het andere.
Tijdens het biljarten wordt kinetische energie overgedragen van de ene biljartbal op de andere.
Tijdens het schommelen wordt zwaarte-energie in kinetische energie omgezet en omgekeerd.
Als we twee momenten (A en B) bekijken tijdens de energieomzetting, dan geldt dat de totale energie op moment A gelijk moet zijn aan de totale energie op moment B. EA,tot = EB,tot of EA = EB
Dit geldt voor elk moment A en B tijdens de energieomzetting.
De wet van behoud van energie is enkel geldig in een geïsoleerd systeem
We bekijken wat dat precies betekent:
• Een geïsoleerd systeem is een systeem dat geen materie of energie met zijn omgeving kan uitwisselen. Dit systeem is dus volledig afgesloten van de omgeving.
• Een open systeem is een systeem dat materie en energie met zijn omgeving kan uitwisselen.
• Een gesloten systeem is de benaming die men in de praktijk gebruikt voor een systeem waarbij beperkte uitwisseling plaatsvindt. Een gesloten systeem kan energie uitwisselen met zijn omgeving, maar geen materie.
Voorbeelden
De mens is een open systeem, want hij wisselt materie uit met de omgeving (eten en drinken, ademen, transpiratie, urine en uitwerpselen) alsook warmteenergie (thermische energie) via de huid.
De zon is ook een open systeem, ze verliest materie (zonnewind) en energie (straling).
De aarde is een open systeem, want zonlicht valt in op de aarde. Wij sturen satellieten de ruimte in.
Een gesloten thermoskan is een geïsoleerd systeem, op voorwaarde dat ze perfect geïsoleerd is.
Het heelal kan je ook zien als een geïsoleerd systeem. Omdat er buiten het heelal niets meer is, kan daar ook niets in of uit.
3.2Energiedissipatie
We bekijken nu enkele energieomzettingen naderbij.
Tijdens het gewichtheffen gebruikt deze man zijn chemische energie om de halter op te heffen. De halter krijgt daardoor zwaarte-energie. Een deel van zijn chemische energie wordt ook omgezet in warmteenergie, kijk maar hoe de man zweet tijdens dit gewichtheffen.
Als een auto rijdt, wordt chemische energie van de brandstof door de motor omgezet in kinetische energie van de auto en in warmteenergie, de motor warmt immers op tijdens dit proces.
Als je een bal laat botsen, wordt zwaarte-energie omgezet in kinetische energie en omgekeerd. Als je de bal op een hoogte loslaat, bezit hij zwaarte-energie. Deze wordt omgezet in kinetische energie tot op het moment dat hij de grond raakt. Als de bal de grond raakt, wordt een deel van de energie omgezet in warmte-energie. De bal gaat terug naar boven en de kinetische energie wordt terug omgezet in zwaarte-energie. Omdat bij elke botsing met de grond een deel van de energie omgezet wordt in warmte-energie, stuitert de bal telkens minder hoog.
Als een auto slipt, zal hij afremmen ten gevolge van de wrijving van de banden op het wegdek. Zijn kinetische energie wordt omgezet in warmte-energie
We zien dat tijdens de energieomzettingen een deel van de energie omgezet wordt in warmte-energie (thermische energie), bijvoorbeeld door wrijving. Die warmte is niet nuttig en ook niet recupereerbaar. In sommige gevallen, zoals bij het laatste voorbeeld, wordt zelfs alle energie omgezet in warmte-energie.
Dit fenomeen noemen we energiedissipatie
Energiedissipatie is het verlies aan nuttige energie door onder andere wrijving en warmte.
3.3Rendement
Bij energieomzettingen gaat meestal een deel van de energie verloren door energiedissipatie. De efficiëntie van een energieomzetting wordt weergegeven door het rendement.
Het rendement is de verhouding van de nuttige verkregen energie tot de totale verbruikte energie:
η = Enuttig Etotaal
Waarbij:
Etotaal = de energie voor de energieomzetting
Enuttig = de nuttige energie na de energieomzetting
GROOTHEID
rendement η / /
Rendement heeft het symbool η (de griekse letter èta).
Rendement heeft dus geen eenheid, het is onbenoemd. Meestal wordt het rendement wel in procenten uitgedrukt.
We controleren de eenheden:
1J 1J = 1
We bekijken het voorbeeld van een lamp.
Bij een klassieke gloeilamp wordt tot 95 % van de elektrische energie omgezet in warmte en wordt dus slechts 5,0 % van de elektrische energie omgezet in licht (stralingsenergie). Het rendement van dergelijke gloeilampen is dus heel klein.
Stel dat we 10 J aan elektrische energie gebruiken om de lamp te laten branden, dan zal die 10 J door de lamp omgezet worden in 9,5 J aan warmte en 0,50 J aan licht. We berekenen het rendement:
η = Enuttig
Etotaal = 0,50J 10J = 0,050 = 5,0 %
Laten we dit nu vergelijken met een ledlamp. Bij een moderne ledlamp wordt 50 % van de elektrische energie omgezet in licht (stralingsenergie). De overige 50 % wordt ook hier omgezet in niet nuttige warmte. Als we dus 10 J aan elektrische energie gebruiken om een ledlamp te laten branden, dan wordt daarvan 5,0 J omgezet in warmte, maar wordt ook 5,0 J omgezet in licht. Als we ook hier het rendement berekenen, dan vinden we:
η = Enuttig
Etotaal = 5,0J 10J = 0,50 = 50 %
Het rendement ligt altijd tussen 0 en 100%
3.4Energiebalans
Een energieomzetting kunnen we schematisch voorstellen in een energiebalans. We beschouwen hierbij de toestand (A) voor de energieomzetting en de toestand (B) na de energieomzetting. Uit de wet van behoud van energie weten we dat er een evenwicht moet zijn tussen de totale energie in toestand A en de totale energie in toestand B.
Totale energie toestand A
Totale energie toestand B
De totale verbruikte energie moet gelijk zijn aan de totale verkregen energie.
We bekijken nu een aantal energieomzettingen.
Voorbeelden
Een zonnecel zet een deel van de stralingsenergie van de zon om in elektrische energie.
stralingsenergie
elektrische energie + thermische energie
Een lamp zet elektrische energie om in stralingsenergie, waarvan een deel als zichtbaar licht.
elektrische energie
Een meisje loopt de trap op.
chemische energie
stralingsenergie + thermische energie
zwaarte-energie + thermische energie
Bij de drie bovenstaande voorbeelden gebeurt de energieomzetting door een omzetter: de zonnecel, de lamp en het meisje zorgen hier voor de energieomzetting. Dat hoeft echter niet steeds het geval te zijn, en is ook niet altijd even duidelijk.
Vul de energiebalans aan voor de volgende situaties.
Een vuurwapen zet chemische energie om in kinetische energie.
In een zonnebank wordt elektrische energie omgezet in uv-licht.
Een elektrische kachel zet elektrische energie om in thermische energie.
In een houtkachel wordt chemische energie omgezet in thermische energie.
We bekijken nu een aantal extra voorbeelden in detail.
Voorbeeld 1
In dit wiel van Maxwell worden kinetische energie en zwaarte-energie voortdurend in elkaar omgezet.
Het wiel beweegt constant op en neer. Om de energieomzetting in dit wiel te bestuderen, bekijken we twee verschillende momentopnames:
Toestand A: de onderste stand van het wiel. We stellen dat de zwaarte-energie daar nul is.
Toestand B: de hoogste stand van het wiel. Daar hangt het wiel even stil, dus daar is zijn snelheid en dus ook zijn kinetische energie nul.
We bekijken de energiebalans van deze energieomzettingen:
Toestand A → toestand B:
kinetische energie
Toestand B → toestand A:
zwaarte-energie + thermische energie zwaarte-energie
Ook hier wordt bij elke energieomzetting een deel van de energie omgezet in thermische energie, dit zien we ook duidelijk in het filmpje.
kinetische energie + thermische energie
Voorbeeld 2
Op een achtbaan vertrekt een wagentje van 2800 kg op 80,0 m hoogte. 75 seconden later rijdt het op een hoogte van 25,0 m voorbij aan een snelheid van 32,5 m s . Tijdens de rit werd 0,0300 MJ aan thermische energie ontwikkeld.
We kiezen hier als toestanden de twee volgende voor de hand liggende situaties:
Toestand A: het wagentje bij vertrek
Toestand B: het wagentje rijdt voorbij op een hoogte van 25 m
80 m
25 m A B
We kunnen nu de energiebalans kwalitatief en kwantitatief opstellen.
Kwalitatief
Kwantitatief
Toestand A:
zwaarte-energie
vA = 0 m s
Ek,A = 0J
hA = 80,0m
80 m
Ez,A = m g h
= 2800kg 9,81 N kg 80,0m = 2,20MJ
25 m
Etot,A = 2,20MJ
zwaarte-energie + kinetische energie + thermische energie
Toestand B:
25 m
vB = 32,5 m s
Ek,B = 1 2 m ⋅ v2 = 1 2 2800kg 32,5 m s 2 = 1,48MJ
hB = 25,0m
Ez,B = m ⋅ g ⋅ h = 2800kg 9,81 N kg 25,0m = 0,687MJ
Eth = 0,03MJ
Etot,B = Ek,B + Ez,B + Eth = 2,20MJ
Etot,A = Etot,B
We zien dat de energiebalans klopt!
Voorbeeld 3
Een blokje met massa 1,45 kg ligt op tafel, net naast een veer die aan de andere kant aan de wand is bevestigd. De veer schiet het blokje weg, waarop het blokje wrijvingsloos over de tafel glijdt en verderop op de grond valt. Het blokje belandt op 1,20 m van de tafel op de grond.
De veer met veerconstante k = 580 N m wordt
0,115 m ingedrukt voordat ze het blokje wegschiet.
d = 0,60 m
h = 0,850 m
Met welke snelheid raakt het blokje de grond?
Kwalitatief
zwaarte-energie + elastische energie kinetische energie
Er is geen thermische energie, want we verwaarlozen de wrijving.
Kwantitatief
Toestand A: d h
Ez,A = m g h = 1,45kg ⋅ 9,81 N kg ⋅ 0,850m = 12,1J
Ev,A = 1 2 k ⋅Δl2 = 1 2 580 N m (0,115m)2 = 3,84J
Ek,A = 0J
Etot,A = Ez,A + Ev,A + Ek,A = 15,9J
Toestand B: m
Ez,B = 0J
Ev,B = 0J
Ek,B = 1 2 m v 2 = 1 2 1,45kg v 2
Etot,B = Ez,B + Ev,B + Ek,B = 1 2 ⋅ 1,45kg ⋅ v 2
Etot,A = Etot,B
v 2 = 2 15,9J 1,45kg = 21,9 m2 s2
v = 4,68 m s
4Gemiddeld vermogen
Bij een energieomzetting worden één of meer energievormen omgezet in één of meer, andere of eventueel zelfs dezelfde, energievormen.
Vaak is het ook van belang in welk tijdsverloop een bepaalde hoeveelheid energie kan omgezet worden. Denk maar aan een menselijk lichaam dat een marathon loopt. Daarbij is niet alleen de hoeveelheid energie van belang, maar ook de tijd waarin die energie wordt omgezet, met andere woorden de tijd waarin de marathon kan gelopen worden.
De snelheid waarmee een energieomzetting gebeurt, kunnen we verwoorden in de grootheid gemiddeld vermogen
Het gemiddeld vermogen is de hoeveelheid energie die per seconde wordt omgezet in een andere energievorm:
gemiddeld vermogen P watt W
De eenheid watt is de SI-eenheid van vermogen, vernoemd naar de Schotse ingenieur James Watt, de uitvinder van de stoommachine. 1W =
Eerder zagen we al de eenheid kWh, we kunnen die nu verder bestuderen.
1kWh = 1kilowattuur = 1kW h = 1 103 W h = 1 103 J s 3600s = 3600000J = 3,6MJ
1 kWh is de hoeveelheid energie die in 1 uur wordt omgezet in een toestel met een vermogen van 1 kW:
1 kWh = 3,6 MJ = 3,6 · 106 J
Of omgekeerd:
1 J = 2,78 · 10–7 kWh
We zien dat de eenheid kWh een eenheid is waarmee een hoeveelheid energie kan aangeduid worden. We komen de eenheid onder andere tegen op onze elektriciteitsfactuur.
5Het energievraagstuk
De energieproblematiek is een ‘hot topic’. Door de groeiende wereldbevolking en de toenemende welvaart neemt de vraag naar energie toe. Bovendien is energie ook vaak gekoppeld aan CO2-uitstoot en dus aan de klimaatverandering.
De aarde staat dus voor een groot probleem.
Gelukkig wordt er heel wat onderzoek gedaan op het vlak van energie. We bekijken in dit deel enkele recente ontwikkelingen en mogelijkheden op het vlak van energie. Het zal trouwens aan de volgende generaties zijn om verder mee na te denken over dit grote energievraagstuk.
Ook in module 2 Voluit voor een duurzame toekomst uit het vierde jaar van ISAAC-aardrijkskunde komt duurzame energie aan bod.
5.1Energie uit de kern van een atoom: kernenergie
Recent is er heel wat te doen rond kernenergie. Laten we dus dit ‘hot topic’ even van dichtbij bekijken.
Bij kernenergie wordt de energie uit de kern van een atoom gehaald.
Hierbij zijn er twee mogelijkheden, namelijk kernsplijting en kernfusie. We bekijken beide in wat volgt.
5.1.1 Kernsplijting
Bij kernsplijting vallen instabiele atoomkernen uit elkaar na impact van een neutron. Bij dit proces komt energie vrij.
Deze kernreactie wordt gebruikt in een kerncentrale zoals we die vandaag de dag kennen.
België koos er eind jaren 60 voor om een deel van zijn elektriciteit te produceren met kernenergie. Fossiele brandstoffen konden immers niet meer voldoen aan de vraag naar energie. Er werden toen zeven kernreactoren gebouwd: vier in Doel en drie in Tihange. België telt in totaal dus zeven kernreactoren voor kernsplijting.
In 1975 werden de reactoren Doel 1 en Tihange 1 in dienst genomen. In 2020 hadden de reactoren een vermogen van 6GW en zorgen ze voor ruim 50 % van het Belgisch energieverbruik.
Om de tien jaar wordt het ontwerp van elke kerncentrale volledig aangepast. Deze wordt dan gemoderniseerd volgens de meest recente internationale standaarden. Deze tienjaarlijkse herziening wordt verplicht door de Belgische staat en de uitbatingsvergunning.
Kerncentrale
In de huidige kernreactoren worden brandstofstaven gebruikt die bestaan uit uranium-235 en uranium-238. Enkel het uranium-235 dat daarin aanwezig is, is splijtbaar. Als een neutron op het uranium-235 invalt, splitst het uraniumatoom en komt er energie vrij die we kunnen gebruiken. Daarnaast komen er ook nieuwe neutronen en radioactief afval vrij. Er ontstaat dus een kettingreactie. Bovendien ontstaat uit het uranium-238 een kleine hoeveelheid plutonium dat ook splijtbaar is en dus energie kan opleveren.
Een stap in het proces ziet er als volgt uit:
De kettingreactie ziet er dan als volgt uit:
Meer weten over kernsplijting en de werking van kerncentrales? Scan dan de QRcode en bekijk de filmpjes.
Er zijn wel een aantal voor- en nadelen verbonden aan dit soort kerncentrales.
Voordelen
• De grondstof uranium wordt ontgonnen in relatief veilige regio’s
• Goedkoop
• De marktprijs van het uranium heeft een beperkte invloed op de prijs van de geleverde energie
• Het productieproces verloopt nagenoeg vrij van CO2-uitstoot
Nadelen
• Radioactief afval: laag, middel en hoog radioactief afval
• Waarborgen van veiligheid (ioniserende straling) Het bouwen van een kerncentrale is duur en duurt lang
Door nucleaire ongevallen zoals in Tsjernobyl en Fukushima heeft de publieke opinie zich tegen kernenergie gekeerd, met als gevolg dat verschillende landen gekozen hebben voor een kernuitstap. Als de vraag naar energie echter blijft groeien, zal nucleaire energie misschien wel noodzakelijk blijken om aan die energievraag te voldoen.
Het onderzoek op vlak van nucleaire energie blijft dus doorgaan, met als doel veilige en efficiënte nucleaire energie-ontginning te ontwikkelen. We zouden misschien bijvoorbeeld radioactief afval van de vorige kernreactoren in de toekomst kunnen gebruiken als brandstof.
In België is er het MYRRHA-project van het SCK CEN dat baanbrekend onderzoek doet en onder meer wil aantonen dat de vierde generatie kernsplijtingreactoren als veilig alternatief voor energieproductie kunnen dienen. Dergelijk onderzoek gebeurt natuurlijk ook in andere landen.
Meer weten over het MYRRHA-project en het onderzoek naar veilige kernenergie? Scan daarvoor de QR-code.
Niet alle landen gaan trouwens voor een kernuitstap. Zo wil de Franse president Macron heel wat nieuwe kerncentrales bouwen tegen 2050. Via de QR-code kan je hier meer over lezen.
5.1.2 Kernfusie
Op internationaal niveau doet men ook onderzoek naar kernfusie, bijvoorbeeld met het ITER-project. We bekijken in wat volgt hoe kernfusie werkt en hoe ver men staat met ITER.
Bij kernfusie gaan atoomkernen van verschillende atomen samensmelten tot een andere zwaardere kern en komt er energie vrij.
Dit gebeurt bijvoorbeeld als twee isotopen van waterstof (deuterium en tritium) samensmelten.
fusiereactie
Bij dit proces wordt er helium gevormd en komt er een neutron vrij. Daarnaast komt er ook energie vrij. Scan de QR-code en bekijk het filmpje om dit proces in werking te zien.
helium (he)
deuterium (d)
tritium (t) neutron (n)
Deze fusiereactie van deuterium en tritium blijkt de meest efficiënte om fusie te bekomen op aarde. De snelle neutronen die bij deze reactie vrijkomen, worden gevangen in de stalen wand van de fusiereactor die de warmte overbrengt naar koelvloeistoffen binnen de wand, die dan op hun beurt een turbine aandrijven om zo elektriciteit te produceren.
Het fusietoestel dat op dit moment gebruikt wordt voor kernfusie is de tokamak.
De reactor bevindt zich daarbij in het midden van de tokamak en bestaat uit een stalen vat in de vorm van een donut. De binnenwand van dit stalen vat is bezet met verwijderbare, warmtebestendige tegels en een aantal openingen voor onder andere metingen en verwarming. Om de fusie te laten doorgaan, wordt deuterium- en tritiumgas in de reactor gebracht. Dat gas wordt dan opgewarmd tot heel hoge temperaturen zodat het gas ioniseert en er een plasma ontstaat. Dan pas kan de fusiereactie plaatsvinden.
Deze reactie kan dus enkel plaatsvinden in een speciale kernfusiereactor, die er trouwens helemaal anders uitziet dan de kernreactoren die we kennen van kernsplijting.
verwarmingselement
toroïdale veldmagneet
poloïdale veldmagneet
centrale solenoïde magneet vacuümkamer breeding blanket
warmte uitwisselaar stoomgenerator stoomturbine stroomnetwerk
van een kernfusiereactor
Op dit moment is men nog volop bezig met de ontwikkeling en het testen van deze kernfusiereactoren. De recente evoluties zijn echter hoopvol.
JET is momenteel de grootste fusiereactor ter wereld. Het is ook een zogenaamde tokamak, een donutvormige reactor waarin het plasma met sterke magnetische velden op zijn plaats wordt gehouden.
In februari 2022 hebben wetenschappers een nieuw record gevestigd in de op dat moment grootste experimentele kernfusiereactor, de Joint European Torus (JET) te Oxford. Nooit eerder slaagden wetenschappers erin zo’n grote hoeveelheid energie met kernfusie op te wekken. Tijdens het experiment produceerden ze zo’n 59 MJ aan energie gedurende 5 seconden. Daarmee verbrak JET het vorige record van 22 MJ dat in 1997 gevestigd werd.
Meer lezen over dit hoopvol record? Scan de QR-code.
Dit nieuwe record toont het potentieel van kernfusie aan. Dr. Bernard Bigot, de directeur-generaal van ITER, spreekt van een “bevestiging voor iedereen die betrokken is bij de wereldwijde zoektocht naar kernfusie”. Volgens hem tonen de resultaten ook aan dat ITER “op de goede weg is”.
ITER bevindt zich in het zuiden van Frankrijk en is, op dit moment, het grootste kernfusieproject ooit. Het wordt gezien als een laatste stap vooraleer kernfusie commercieel toegankelijk zal worden. Meerdere EU-lidstaten, China, de Verenigde Staten, Rusland en Japan ondersteunen het project.
De bouw van ITER begon in 2007 en pas in 2025 zal de reactor beginnen met de eerste experimenten. Deze kernfusiereactor heeft als doel een vermogen van 500 megawatt te bereiken en dat gedurende een langere tijdsspanne, mogelijks zelfs tot 600 seconden. Zo zou hij de eerste kernfusiereactor zijn die aan netto-energiewinst doet. Wetenschappers willen tot tien keer meer energie produceren dan ze nodig hebben voor de opstart van de reactie.
WIST-JE-DAT
Kernfusie gebeurt ook in de zon. Onze zon verandert elke seconde 600 miljoen ton waterstof in helium. Hierbij komt er een enorme hoeveelheid energie vrij.
5.2Energie uit de zon: zonne-energie
Het licht van de zon maakt deel uit van het elektromagnetisch spectrum en bevat dus heel wat energie. Misschien komen er in de toekomst zonnepanelen in de ruimte die ons van energie zullen voorzien of misschien heeft één van onderstaande toepassingen op aarde meer succes.
5.2.1 Zonne-energiecentrales
We gebruiken het licht van de zon al in fotovoltaïsche zonnepanelen, deze zijn ondertussen niet meer weg te denken uit ons straatbeeld. Ze worden ook in grote aantallen gemonteerd in parken om zoveel mogelijk zonne-energie te kunnen omzetten in elektrische energie.
zonne-energiecentrale
energie-overdracht naar gebruiker zonlicht
zonnepanelen batterijenstroomnetwerk
Ook bij ons zijn er al dergelijke zonne-energieparken. Scan de QR-code als je hier meer over wil weten.
Deze zonne-energieparken hebben natuurlijk een hoger rendement in regio’s met meer zonnige dagen. Eén van de grootste zonne-energieparken is het Badla Solar Park in India waar ongeveer 300 zonnige dagen per jaar zijn, een ideale plaats dus voor een zonneenergiecentrale. Het vermogen van dergelijke centrale is meer dan 2000 MW
Er zijn natuurlijk nog meer innoverende manieren om de energie van de zon om te zetten. We overlopen er een aantal hieronder.
5.2.2 Zonnetorens of heliostaat energiecentrales
In een zonne-energietoren of ‘heliostaat’ energiecentrale wordt een toren gebruikt om gericht zonlicht op te vangen. Een reeks platte en beweegbare spiegels (heliostaten) worden gebruikt om de zonnestralen op de toren te richten. In deze toren worden gesmolten zouten (water of vloeibaar helium kan ook) gebruikt om de warmte op te slaan, waarna deze gebruikt wordt om water te koken. Zo wordt er stoom geproduceerd die een stoomturbine aandrijft.
Deze geconcentreerde thermische zonne-energie is een hernieuwbare, vervuilingsvrije vorm van energie.
Eén van de grootste heliostaat zonne-energiecentrales staat in de Mojave woestijn in Zuid-Californië. Deze centrale heeft een vermogen van 350 MW
Scan de QR-code en bekijk het filmpje als je meer te weten wil komen over deze heliostaat zonne-energiecentrales.
5.2.3 Zonnetoren met warme lucht
Deze zonnetoren maakt gebruik van het principe dat warme lucht stijgt. Warme lucht is immers minder zwaar dan koude lucht. De zonnetoren bestaat uit een cirkelvormig deel met een groot glazen dak waarop het zonlicht invalt en de toren zelf in het midden daarvan.
Het zonlicht warmt de lucht in de cirkel op, deze warme lucht stijgt en komt zo in de toren terecht. Aan de zijkanten van de cirkel wordt telkens nieuwe koude lucht aangevoerd, hierdoor ontstaat er een luchtstroom die de luchtturbines laat draaien. Op die manier wordt de kinetische energie van de luchtstroom omgezet in elektrische energie (elektriciteit).
opgewarmde lucht warmte van de zon
koude lucht uitgestoten lucht
Meer leren over dit soort zonnetoren? Scan de QR-code hiernaast.
Een extra voordeel van deze zonnetoren is dat hij als broeikas voor bloemen en planten kan dienen.
5.2.4 Zonneoven
Een zonneoven is een structuur die geconcentreerde zonne-energie gebruikt om hoge temperaturen te produceren, meestal voor de industrie. In deze constructie concentreren parabolische spiegels of heliostaten het licht op een brandpunt. In dat brandpunt kan de temperatuur oplopen tot 3500 °C. Deze warmte kan dan gebruikt worden om elektriciteit op te wekken of voor een andere toepassing.
5.2.5 Energieopwekkende zonnewering
Er wordt ook nagedacht over toepassingen op kleinere schaal. Zo werd er een energieopwekkende zonnewering ontwikkeld op basis van fotovoltaïsche zonnepanelen. Deze kunnen verwerkt worden in de gevel van een modern gebouw of in een dak van een parkeergarage.
5.2.6 Doorzichtige zonnepanelen
Men doet zelfs onderzoek naar doorzichtige zonnepanelen. De productiekost is nog heel hoog, maar als dit idee toegankelijker zou worden, zouden we zonnepanelen kunnen inbouwen in elk venster.
turbine
5.3Energie uit de wind: windenergie
Wind wordt al heel lang gebruikt als energiebron, denk maar aan de windmolens met vier wieken die gebruikt werden om het koren te malen of aan de zeilschepen die geen motor hebben.
We zien in ons landschap al heel wat windturbines met propellerbladen. De wieken van deze moderne windmolen zitten vast aan een grote dynamo die de draaiende beweging omzet in elektriciteit.
Deze windturbines kennen we natuurlijk allemaal. Ze hebben naast de voordelen van onuitputtelijk en schoon te zijn ook wel wat nadelen, waaronder hun zichtbaarheid in het landschap en het geluid dat ze produceren.
Het onderzoek naar vernieuwing en verbetering gaat hier dan ook onverminderd door. We bespreken in wat volgt enkele innovaties.
5.3.1 Stille windturbines
Er is heel wat onderzoek naar de ontwikkeling van stille windturbines. Chinese onderzoekers lieten zich zelfs inspireren door een uil. Een uil vliegt namelijk compleet geruisloos. Wil je meer lezen over hoe de uil wetenschappers inspireert? Scan dan de QR-code.
Verder heeft een Australisch bedrijf ‘Australia Renewable Energy Solutions’ een klein model windturbine ontwikkeld dat zo goed als stil is, namelijk de ‘Eco Whisper’-windturbine, met een opwekkingsvermogen van 20 kW.
Ook de nieuwe ‘Wind Harvester’ is praktisch geluidsvrij en is in staat om ook bij lage windsnelheden elektriciteit op te wekken. Zijn ontwerp is dan ook totaal anders dan dat van de klassieke windturbines. Scan de QR-code op de vorige pagina en lees meer over deze innoverende windmolen.
©2021 Wind Harvest International, Inc.|CC BY 4.0 https://windharvest.com/ourtechnology/
5.3.2 Windturbines met een verticale as
Ondertussen werden ook al windturbines ontwikkeld met een verticale as. Deze windturbines zien er totaal anders uit dan we gewoon zijn, maar misschien verschijnen er in de toekomst wel meer van dergelijke turbines in onze omgeving.
Onderstaande windturbine met verticale as is ook zo goed als geluidloos.
5.3.3
Windturbines in de lucht
The Makani Airborne Wind Turbine
De Makani Airborne Wind Turbine vliegt op hoogtes van 1000 voet (ongeveer 305 meter). Op die hoogte waait er een sterkere wind dan op lagere hoogtes. De Makani Airborne Wind Turbine gebruikt deze sterkere wind om elektriciteit op te wekken. De opgewekte elektriciteit wordt daarna met kabels naar de grond gestuurd.
Meer leren over de Makani
Airborne Wind Turbine? Scan de QR-code en bekijk het filmpje.
5.3.4
Windturbines zonder wieken
Tegenwoordig bestaan er zelfs al windturbines zonder wieken. Deze ‘Vortex Bladeless’-turbines bestaan uit holle palen die een ingenieus systeem bevatten dat de bewegingsenergie van de wind omzet in elektrische energie.
Als je meer wil weten over de Vortex Bladeless Turbine, bekijk dan zeker eens hun website. Scan hiervoor de QR-code.
De Altaeros Airborne Windturbine bestaat uit een met helium gevulde, opblaasbare constructie, waarbinnen zich een lichtgewicht turbine bevindt. Op grote hoogtes heeft deze turbine toegang tot een sterkere wind en kan ze dus meer elektriciteit opwekken dan een windturbine dicht bij de grond. Deze opgewekte elektriciteit wordt dan naar de grond gestuurd en van daaruit verdeeld.
Scan de QR-code hierboven en bekijk het filmpje.
Altaeros BAT (Buoyant Airborne Turbine)
5.4Energie uit water
5.4.1 Getijdenenergie
Volgens hetzelfde principe als dat van windturbines werden ondertussen ook al turbines ontwikkeld die de getijdenenergie omzetten in elektrische energie.
Deze techniek zet de kinetische energie van zeewater bij de veranderende getijden om in elektrische energie. De stromingen van het water bij de veranderende getijden brengen de bladen van de turbine in beweging. De turbine laat vervolgens een generator draaien en deze produceert zo elektriciteit.
Scan de QR-code en bekijk het filmpje om meer te weten te komen over getijdenenergie.
stroomopwekking
5.4.2 Blauwe energie
Blauwe energie wordt opgewekt uit water, meer bepaald uit zout en zoet water. Deze twee zijn beide belangrijke ingrediënten in het proces. Blauwe energie is namelijk gebaseerd op het verschil in zoutconcentraties in het water. Daarnaast wordt er ook gebruik gemaakt van membranen.
Er bestaan verschillende methodes. We bekijken er ééntje van, waarbij er gebruik gemaakt wordt van twee membranen.
Het eerste type membraan laat de Na+-ionen door en de Cl–-ionen niet waardoor de positief geladen deeltjes (de natrium-ionen) van het zoute water kunnen overgaan naar het zoete water.
Het tweede type membraan laat de Cl–-ionen door en de Na+-ionen niet waardoor de negatief geladen deeltjes (de chloride-ionen) van het zoute water kunnen overgaan naar het zoete water. stroom zoet water
Op deze manier komen alle positieve ionen aan één kant te zitten en de negatieve aan de andere kant. Hierdoor ontstaat een spanning, zoals bij een batterij.
De eerste onderzoeken met betrekking tot blauwe energie dateren uit de jaren 70. In 2009 was Noorwegen het eerste land dat van start ging met de bouw van een blauwe energiecentrale in Oslofjord bij Tofte. Landen die aan een zee grenzen en bovendien rivieren hebben die uitmonden in die zee zijn perfect voor het opwekken van blauwe energie.
Scan de QR-code en bekijk het filmpje over blauwe energie (tot 1 min 45 s).
Voordelen
• Geen emissie, nauwelijks impact op de omgeving
• Stabiele energie, beschikbaar wanneer je het nodig hebt
Nadelen
• Vervuiling van de membranen door algengroei
• Zoetwaterschaarste
Prijs van de Belemmeringmembranen van de scheepvaart en demping van eb en vloed
Ondertussen heeft Noorwegen beslist om niet meer verder te gaan met de ontwikkeling van blauwe energie omdat het te duur is. Lees meer daarover door bovenstaande QR-code te scannen.
5.4.3 Golfslagenergie
Uit de snel veranderende waterhoogte van de zee door de golven kan ook energie gewonnen worden. Er zijn daarbij verschillende mogelijkheden. We bespreken er enkele.
Bij sommige methodes wordt gebruik gemaakt van vlotters. De beweging van de as in de vlotter wordt daarbij omgezet in elektriciteit, die via kabels wordt afgevoerd.
golfslagenergie
Een andere methode maakt gebruik van een golf die een reservoir binnenstroomt. Het water stroomt dan via een turbine terug naar het zeeniveau en genereert zo elektriciteit.
windturbinegenerator
binnenkomende golf uitstroom via turbine reservoir
Nog andere methodes maken gebruik van een luchtkolom die oscilleert onder invloed van het wisselende waterniveau. Ook daar wordt een turbine aangedreven, maar in dit geval door de luchtbeweging.
Wil je meer te weten komen over deze innoverende technieken? Scan dan de QR-code en bekijk de filmpjes.
5.5Energie uit de aarde
5.5.1 Geothermische energie
Bij deze vorm van energie wordt gebruik gemaakt van het temperatuurverschil tussen het aardoppervlak en diep in de aarde gelegen warmtereservoirs.
In vulkanische streken zoals IJsland zijn de warmtereservoirs op zo’n geringe diepte aanwezig, waardoor deze economisch interessant zijn.
Het opwekken van elektriciteit gebeurt hier door middel van turbines die aangedreven worden door stoom afkomstig van heet water uit geboorde warmwaterbronnen in vulkanisch actieve grond.
In recente experimenten werd water in een laag magma gebracht waardoor een enorme hoeveelheid stoom ontstond. Die stoom werd dan gebruikt om een turbine aan te drijven.
geothermische energie
warm gesteente
magma
Meer leren over geothermische energie? Scan dan de QR-code.
Het is dus wel duidelijk dat er heel wat onderzoek gedaan wordt op het vlak van energie. Er zijn immers ook grote veranderingen nodig op dat vlak.
Misschien kent één van voorgaande innovaties een enorm succes of misschien doet men nog een compleet nieuwe ontdekking. Misschien speelt waterstof een grote rol in de toekomst of misschien wordt er in de toekomst energie gewonnen uit algen of worden de heel omstreden hydrino-generatoren toch ontwikkeld.
Een andere mogelijkheid is dat we allemaal een energieomzetter ingebouwd krijgen die onze kinetische energie omzet in elektrische energie.
6Verder oefenen?
6.1Begrijpen
Energievormen
Geef de SI-eenheid van energie.
Worden nog andere eenheden gebruikt? Zo ja, welke en in welke context? Noteer.
Welke energievormen hebben we besproken? Som ze op en vermeld telkens de andere benaming als die er is.
Welke energievormen spelen een rol in de volgende situaties? Noteer.
Een wielrenner stapt op zijn fiets en rijdt de Paterberg op.
Een windmolen draait.
Een ledlampje brandt.
Een vliegtuig stijgt op.
In de reactor van een kerncentrale gebeurt kernsplijting.
Een auto rijdt aan een constante snelheid.
De zon straalt.
Een kampvuur brandt.
Een kind springt op een trampoline.
Een pijl wordt afgeschoten met een boog.
Een bal vliegt door de lucht.
In een elektrische auto is chemische energie opgeslagen, in een elektrische trein niet. Verklaar deze stelling.
Een moeder en haar zoontje fietsen met dezelfde snelheid. Hebben ze dezelfde kinetische energie? Verklaar.
Als je met je fiets aan 20 km h rijdt, heb je een kinetische energie van 1000 J. Hoe groot is jouw
kinetische energie bij een snelheid van 40 km h ? Duid het juiste antwoord aan.
J
Geef vijf energievormen die we besproken hebben en leg kort uit wat ze inhouden.
Arbeid
Volgende afbeelding geeft een proces van kernfusie weer. Stel de bijhorende energiebalans op. 8
Kan de eenheid Pa · m3 gebruikt worden om een hoeveelheid arbeid weer te geven? Verklaar.
Door arbeid te leveren, geven we aan een auto snelheid. Als een arbeid W nodig is om de auto vanuit rust een snelheid v te geven, hoeveel arbeid is dan extra nodig om die auto een snelheid 2v te geven? Verklaar.
Energieomzettingen
Stel een energiebalans op voor de volgende energieomzettingen.
Een infraroodlamp zet elektrische energie om in infraroodstraling.
Bij fotosynthese wordt stralingsenergie door planten omgezet in chemische energie.
Een röntgenbuis zet elektrische energie om in röntgenstraling.
Een boogschutter schiet zijn pijl tot hoog in de lucht. Welke twee energieomzettingen vinden hier plaats? Maak een energiebalans.
Jef en Piet willen een steen in het water laten vallen vanop een brug. De steen van Piet is een pak groter en zwaarder dan die van Jef.
Welke steen heeft de meeste energie voor ze hem laten vallen? Leg uit.
Welke steen heeft de meeste energie net voor deze het water raakt? Leg uit.
Mohamed zit op een schommel. Je mag ervan uitgaan dat het een ideale schommel is en dat de totale energie altijd dezelfde blijft. Er gebeuren natuurlijk wel omzettingen van de ene energievorm naar de andere. Beschrijf dit proces. Welke energie bezit hij in het laagste punt? Welke in het hoogste? Verklaar je antwoord.
Gemiddeld vermogen
Plaats het juiste begrip in de eerste kolom. Kies uit: potentiële energie, kinetische energie, duurzame energie, elastische energie, elektrische energie, thermische energie, zwaarteenergie, stralingsenergie, kernenergie, chemische energie, arbeid, energiebron, energievorm, energiedissipatie, joule, een geïsoleerd systeem, vermogen, energie, wet van behoud van energie, rendement
Als een kracht inwerkt op een systeem en het systeem gaat zich hierdoor verplaatsen, dan wordt dit geleverd.
Zo noemen we de energie van systemen die ze hebben door het krachtveld waarin ze zich bevinden.
Zo noemen we de energie van systemen die ze hebben door hun snelheid.
Dit is de manier waarop energie voorkomt.
Zo noemen we hernieuwbare energie.
Deze energie is opgeslagen in elastische systemen als gevolg van een elastische vervorming van dat systeem.
Deze energie is de totale bewegingsenergie van de structurele elementen (atomen, moleculen …) van een systeem.
Kinetische energie wordt met behulp van een turbine hierin omgezet.
Alle elektromagnetische golven bezitten dit soort energie, hoe hoger hun frequentie, hoe hoger hun energie.
Deze energie komt vrij als atoomkernen samensmelten of uiteen vallen.
Deze energie krijgt ook wel de naam ‘energie van plaats’.
Deze energie wordt ook wel bewegingsenergie genoemd.
Deze energie krijgt ook wel de naam veerenergie.
Dit is iets dat energie bevat.
Dit is een systeem dat geen energie of materie met zijn omgeving kan uitwisselen.
Dit is het verlies aan nuttige energie door onder andere wrijving en warmte.
Zo noemen we de hoofdeenheid van energie.
Deze energie is opgeslagen in een stof en komt vrij of wordt opgenomen tijdens een chemische reactie.
Zo noemt de hoeveelheid energie die per seconde wordt omgezet in een andere energievorm.
Dit is de verhouding van de nuttige energie tot de totale verbruikte energie.
Bij het verrichten van arbeid wordt er geen energie gemaakt en gaat er geen energie verloren. Energie kan alleen maar omgezet worden in een andere vorm of overgedragen worden op een ander systeem.
Hoe noemt deze wet?
Het energievraagstuk
Joke fietst na een stevig ontbijt de Koppenberg op. 16
Welke energievorm(en) speelt (spelen) een rol in onderstaande voorbeelden? Leg telkens uit.
Een kernfusiereactor
Golfslagenergie
Een windmolen die draait
Een kachel die brandt
Een meisje schiet een papiertje weg met een katapult
Een jongen doet aan bungeespringen
Een zonnetoren
Mijn gsm laadt op Ik fiets naar school
Stel de energiebalans op voor volgende energieomzettingen:
Een boogschieter vuurt een pijl af.
Marianne verbrandt tijdens een namiddag aan de kust in de stralende zon.
Een kindje schuift van een glijbaan naar beneden.
De werking van een kernsplijtingreactor.
6.2Toepassen
Energievormen
Henk fietst aan 7,0 1 m s naar huis. Hij en zijn fiets samen hebben een totale massa van 65 kg Hoeveel bedraagt zijn kinetische energie? Bereken.
Je hebt 6,0 J nodig om een bal van 450 g omhoog te gooien. Hoe hoog heb je de bal gegooid? Bereken.
Een jongen staat bovenaan de Eiffeltoren op 300 m hoogte, en bezit daar een zwaarte-energie van 120 kJ. Bereken de massa van de jongen.
Hoeveel elastische energie bevat een veer met veerconstante 2,0 kN m als ze 30 cm uitgerekt is? Bereken.
Bepaal de veerconstante van een veer die 180 J aan elastische energie bezit als ze 35 cm is uitgerekt.
Een auto rijdt 110 km h op de snelweg, de massa van de auto bedraagt 1,8 ton. Hoeveel bedraagt zijn kinetische energie? Bereken.
De kinetische energie van een wielrenner bedraagt 6,7 kJ. Bepaal de snelheid in 1 m s en
in km h van de wielrenner als je weet dat de massa van de wielrenner en fiets samen 101 kg bedraagt.
In een bergmeer op een hoogte van 3500m bevindt zich 32 ton water.
Welke energievorm bezit dat water? Bereken die energie.
Een veer heeft een elastische energie van 65 J. Bereken de uitrekking als je weet dat de veerconstante van de veer 15,0 N cm is.
Als je een massa van 300 g aan een veer hangt, dan rekt die 15 cm uit. Hoeveel elastische energie bevat de veer als ze 10 cm uitgerekt is? Bereken.
Twee van onderstaande voer- en vaartuigen hebben dezelfde kinetische energie. Welke twee zijn dat? Duid het juiste antwoord aan.
Een auto met massa 1400 kg en een snelheid van 8,80 1 m s
Een motor met massa 350 kg en snelheid 19,5 1 m s
Een vrachtwagen met een massa van 14000 kg en een snelheid van 3,30 1 m s
Een kleine auto van 800 kg die aan 13,1 1 m s rijdt
Een speedboot van 700 kg die een snelheid heeft van 14,0 1 m s
Arbeid
11 a b c d e 12 13 14 15
Er is veel wind. Je fietst toch door, maar je moet een extra kracht van 50 N leveren om tegen de wind in te fietsen. Hoeveel arbeid lever je extra als je 1,5 km ver fietst? Bereken.
Autopech! Dat is niet leuk, maar gelukkig bevindt er zich een garage 250 m verderop. Je duwt de auto tot daar en oefent daarbij een horizontale kracht van 90,0 N uit.
Hoeveel arbeid heb je verricht? Bereken.
Tijdens het voortduwen van een kar wordt 15 kJ aan arbeid geleverd door een horizontale kracht van 110 N. Over welke afstand wordt de kar horizontaal voortgeduwd? Bereken.
Welke kracht wordt verricht tijdens het horizontaal voortduwen van een grote doos over een horizontale afstand van 12 m? Bereken. Tijdens het voortduwen wordt een arbeid van 860 J geleverd.
Een slee wordt voortgetrokken met een kracht van 45 N. De kracht maakt een hoek van 30° met de horizontale. Welke arbeid wordt geleverd als de slee over een afstand van 500 m voortgetrokken wordt? Bereken.
Een gewichtheffer van 110 kg houdt een halter van 60 kg gedurende 56 seconden stil boven zijn hoofd op een hoogte van 1,80 m. Bereken de arbeid die hij levert.
Jan staat in de rij te wachten op de juf. Hij heeft een zware boekentas van 12 kg in zijn hand en moet een kracht van 118 N uitoefenen om die vast te houden op een hoogte van 60 cm. De juf laat op zich wachten. Jan staat daar 2 min 45 sec. Hoeveel arbeid levert Jan? Bereken.
Energieomzettingen
Door te remmen zet een hybride auto van 1600 kg, 400 kJ aan kinetische energie om in elektrische energie. Wat was de snelheid van de auto voor het remmen? Bereken.
Een raceauto moet plots remmen, zijn snelheid voor het remmen bedroeg
150 km h . Door het remmen wordt 1,3 MJ aan energie omgezet in warmte-energie.
Welke energievormen spelen hierbij een rol? Bereken de massa van de raceauto.
Op een achtbaan gaat een karretje van het punt A naar het punt B. Bovenaan in punt A heeft het karretje een snelheid van 10 1 m s . Wat is de snelheid in het punt B?
Duid het juiste antwoord aan.
20 1 m s
22 1 m s
30 1 m s
De snelheid kan niet worden berekend, aangezien de massa van het karretje niet is gegeven.
Een gloeilamp geeft heel wat warmte af. Als 100 kJ aan elektrische energie wordt omgezet door een lamp met een rendement van 5%, hoeveel warmte-energie geeft ze dan af? Duid het juiste antwoord aan.
0 kJ
5 kJ
95 kJ
100 kJ
Bezit een regendruppel eigenlijk veel energie? Stel dat een regendruppel met een massa van 0,05 gram zich op een hoogte van 15 m bevindt De regendruppel is daar aan het vallen met een snelheid van 36 km h . Bereken de totale energie van de regendruppel.
Een tennisbal botst op de grond met een snelheid van 6,0 1 m s . Tijdens de botsing wordt 60% van de energie omgezet in warmte-energie. Na de botsing bereikt de tennisbal een hoogte van . . . Duid het juiste antwoord aan.
0,30 m
0,73 m 1,1 m 2,4 m
Hoeveel bewegingsenergie ontstaat er als een motor een rendement heeft van 26% en 150kJ aan chemische energie gebruikt? Hoeveel thermische energie ontstaat in dit proces? Bereken.
Bereken het rendement van een zonnepaneel als je weet dat het 9000 J aan zonlicht omzet in slechts 500 J aan elektrische energie. Hoeveel warmte-energie wordt hierbij ontwikkeld? Stel een energiebalans op.
Tijdens het boogschieten wordt 24 J aan elastische energie van de boog op de pijl overgedragen. Als we de luchtwrijving verwaarlozen, welke snelheid heeft de pijl dan op 2,10m hoogte? De pijl, met massa 100 g, werd afgeschoten op 1,50 m hoogte.
Maak ook een energiebalans.
We laten een botsbal los op 1,50 m hoogte, met de bedoeling om die op en neer te laten botsen. Stel dat er geen energiedissipatie plaatsvindt, wat is dan de snelheid van de botsbal net voor hij de grond raakt? Bereken.
In een pretpark is een achtbaan één van de leukste attracties, zeker als het een achtbaan met een looping is.
Het treintje vertrekt vanuit stilstand vanaf een hoogte h (punt A), rijdt naar beneden en komt zo aan het begin van de looping (punt B). In dat punt heeft het treintje een snelheid van 25,3 m s
Bereken het hoogteverschil tussen punt A en B opdat het treintje deze snelheid zou bereiken. Je mag de wrijving hierbij verwaarlozen.
Gemiddeld vermogen
Om een kar vooruit te duwen moet je 4000 J aan energie leveren. Bereken jouw gemiddeld vermogen om de kar vooruit te duwen, als je gedurende 1,0 min duwt.
Een meisje met een massa van 40 kg wil haar eigen vermogen bepalen en gaat om dat te doen naar de Leeuw van Waterloo, het herdenkingsmonument voor de Slag van Waterloo.
Ze beklimt de 226 treden van de 40,0 m hoge heuvel in juist 1 minuut.
Bepaal:
Hoeveel arbeid heeft ze verricht om dit te doen? Welke energieomzetting is er tijdens dit proces gebeurd? Wat is het eigen vermogen van het meisje?
Om zijn ijskar in beweging te houden, oefent een ijsboer een kracht van 223 N uit op de kar. Hij doet zo zijn route van 7,8 km in 3 h 15 min. Bereken het vermogen dat hij ontwikkeld heeft, alsook de verrichte arbeid.
De zon valt gedurende 12 uur in op een zonnepaneel van 8,0 m2. Het zonnepaneel levert daardoor 14 kWh aan elektrische energie. Gemiddeld is de hoeveelheid energie van het zonlicht per seconde en per vierkante meter gelijk aan 1000 J
Het rendement van het zonnepaneel is dan . . . Duid het juiste antwoord aan.
Samir heeft een gewicht van 660 N en loopt een heuvel op van 220 m hoog. Bereken de arbeid die hij daarbij minstens moet leveren en welk vermogen hij hierbij heeft ontwikkeld, als deze beklimming 8 min duurt.
6.3Analyseren
Gemiddeld vermogen
Bepaal jouw eigen vermogen door de trappen op te lopen.
Voor deze opdracht ga je zo snel mogelijk de trap oplopen. Aan de hand van de geziene theorie kan je dan jouw eigen vermogen bepalen. We gaan er wel van uit dat de thermische energie verwaarloosbaar is.
Vergelijk jouw vermogen nadien met dat van een aantal medeleerlingen.
Het energievraagstuk
Denk ‘out of the box’, waar zou jij onderzoek naar doen op het vlak van duurzame energie? Misschien heb jij wel een idee waar nog niemand anders aan gedacht heeft.
Zoek een artikel waarin een innovatie op het vlak van duurzame energie besproken wordt. Beantwoord volgende vragen:
Titel artikel
Publicatiedatum
Bron
Auteur(s)
Welke energievormen komen aan bod in het artikel? Vat het artikel samen.
Kies een innovatie op het vlak van energie die in deze module besproken werd en maak een uitgebreidere studie over dit onderwerp.
Hoe zie jij de toekomst op het vlak van energie? Welke energiecentrales zullen volgens jou binnen 50 jaar in de energievoorziening voldoen? Bespreek.
Ontwerp een skatebaan
Open de simulatie via de QR-code, klik op de verschillende tabs en ontdek de simulatie door te klikken en te slepen met de verschillende tools.
Klik dan op ‘Playground’ en ontwerp een skatebaan met ten minste 1 heuvel en 1 looping. Zorg ervoor dat de skater het hele traject kan afmaken.
STUDIEWIJZER
ik ken het! paginanummer
Ik kan het begrip energie definiëren als de mogelijkheid om verandering op te wekken. p. 6-7
Ik kan het begrip potentiële zwaarte-energie omschrijven. p. 7-8
Ik kan de formule E = m · g · h interpreteren. p. 7-8
Ik kan één van de grootheden potentiële zwaarte-energie, zwaarteveldsterkte, massa of hoogte berekenen als de andere gegevens gekend zijn aan de hand van een formularium met o.a. de formule E = m g h.
Ik kan het begrip kinetische energie omschrijven.
p. 7-8, p. 58-59
p. 9-10
Ik kan de formule E = 1 2 m v 2 interpreteren. p. 9-10
Ik kan één van de grootheden kinetische energie, massa of snelheid berekenen als de andere gegevens gekend zijn aan de hand van een formularium met o.a. de formule E = 1 2 m v 2
Ik kan het begrip potentiële elastische energie omschrijven.
Ik kan de formule E = 1 2 k (Δl)2 interpreteren.
Ik kan één van de grootheden potentiële elastische energie, veerconstante of uitrekking (indrukking) berekenen als de andere gegevens gekend zijn aan de hand van een formularium met o.a. de formule E = 1 2 k (Δl)2
p. 9-10, p. 58-59
p. 10-11
p. 10-11
p. 10-11, p. 58-59
Ik kan enkele van de volgende energiesoorten omschrijven: elektrische energie, chemische energie, thermische energie en stralingsenergie. p. 11-18
Ik kan in een gegeven voorbeeld de aanwezige vorm(en) van energie herkennen. p. 54
Ik kan de namen en symbolen van grootheden en eenheden van arbeid, energie en warmte benoemen.
p. 6-7, p. 14, p. 19
Ik kan het begrip arbeid geleverd door een constante kracht op een systeem omschrijven.p. 19-23
Ik kan de formule W = F ∙ Δx ∙ cos α interpreteren. p. 19-23
Ik kan het begrip arbeid in voorbeelden uit het dagelijks leven interpreteren. p. 19-23
Ik kan één van de grootheden arbeid, kracht of verplaatsing berekenen als de andere gegevens gekend zijn aan de hand van een formularium met o.a. de formule W = F ∙ Δx ∙ cos α. p. 19-23, p. 59-60
Ik kan het arbeid-energietheorema toelichten. p. 23-24
Ik kan het arbeid-energietheorema in voorbeelden interpreteren. p. 23-24
Ik kan een onbekende grootheid berekenen door gebruik te maken van het arbeidenergietheorema en met behulp van een formularium. p. 23-24, p. 59-62
Ik kan de wet van behoud van energie in een geïsoleerd systeem omschrijven. p. 26-27
Ik kan een onbekende grootheid berekenen door gebruik te maken van de wet van behoud van energie en met behulp van een formularium.
p. 26-35, p. 60-61
Ik kan de concepten arbeid, energie, warmte en de verbanden ertussen gebruiken om energieomzettingen te kwantificeren. p. 26-35
ik ken het! paginanummer
Ik kan het begrip energiedissipatie omschrijven als het verlies aan nuttige energie door o.a. wrijving of warmte. p. 27-28
Ik kan de energiedissipatie berekenen bij een omzetting tussen energievormen door de wet van behoud van energie toe te passen en met behulp van een formularium.
p. 26-35, p. 60-61
Ik kan het begrip rendement omschrijven. p. 28-30
Ik kan de formule η = Enuttig Etotaal interpreteren. p. 28-30
Ik kan het rendement in meerdere voorbeelden vergelijken (gloeilamp, ledlampen, verbrandingsmotor, elektrische motor, windmolen, kerncentrale …). p. 28-30
Ik kan het rendement, de nuttige energie of de totale energie berekenen als de andere gegevens gekend zijn aan de hand van een formularium met o.a. de formule η = Enuttig Etotaal p. 28-30, p. 60-62
Ik kan de energiebalans van energieomzettingen opstellen aan de hand van de wet van behoud van energie. p. 30-35, p. 55-56, p. 60-61
Ik kan het begrip (gemiddeld) vermogen omschrijven. p. 36-37
Ik kan de formule P = ΔE Δt interpreteren. p. 36-37
Ik kan het vermogen vergelijken in meerdere voorbeelden. p. 36-37
Ik kan het gemiddeld vermogen, de omgezette energie of de tijdsduur berekenen als de andere gegevens gekend zijn aan de hand van een formularium met o.a. de formule P = ΔE Δt p. 36-37, p. 62
Colofon
Auteur Freya Vermeiren
Met medewerking van Anke Van Roy
Eerste druk 2024
SO 0187/2024
Bestelnummer 90 808 0457
Module 1 van ISBN 978 90 4865 009 5
KB D/2024/0147/251
NUR 126
Thema YPMP5
Verantwoordelijke uitgever die Keure, Kleine Pathoekeweg 3, 8000 Brugge
RPR 0405 108 325 - © die Keure, Brugge
Niets uit deze uitgave mag verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt worden door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke wijze ook zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. No parts of this book may be reproduced in any form by print, photoprint, microfilm or any other means without written permission from the publisher. De uitgever heeft naar best vermogen getracht de publicatierechten volgens de wettelijke bepalingen te regelen. Zij die niettemin menen nog aanspraken te kunnen doen gelden, kunnen dat aan de uitgever kenbaar maken.
Die Keure wil het milieu beschermen. Daarom kiezen wij bewust voor papier dat het keurmerk van de Forest Stewardship Council® (FSC®) draagt.
Dit product is gemaakt van materiaal afkomstig uit goed beheerde, FSC®-gecertificeerde bossen en andere gecontroleerde bronnen.