Isaac-fysica 4 D-3u Module 1 Het energievraagstuk

Inhoud

ISAAC-moment

ISAAC-moment: energiebronnen van de toekomst 03

1Energievormen 04

1.1Energie 04 1.2Energievormen 05

2Arbeid 07

2.1Formule voor arbeid bij een constante kracht 07 2.2Arbeid-energie theorema 08 2.3Arbeid en energieomzettingen 08

3Energieomzettingen 09

3.1Wet van behoud van energie 09 3.2Energiedissipatie 10 3.3Rendement 10 3.4Energiebalans 11

4Gemiddeld vermogen 12

5Het energievraagstuk 13

5.1Energie uit de kern van een atoom: kernenergie 13 5.1.1Kernsplijting 13 5.1.2Kernfusie 16 5.2Energie uit de zon: zonne-energie 19 5.2.1Zonne-energiecentrales 19 5.2.2Zonnetorens of heliostaat energiecentrales 20 5.2.3Zonnetoren met warme lucht 20 5.2.4Zonneoven 21 5.2.5Energieopwekkende zonnewering 21 5.2.6Doorzichtige zonnepanelen 21 5.3Energie uit de wind: windenergie 22 5.3.1Stille windturbines 22 5.3.2Windturbines met een verticale as 23 5.3.3Windturbines in de lucht 24 5.3.4Windturbines zonder wieken 24 5.4Energie uit water 25 5.4.1Getijdenenergie 25 5.4.2Blauwe energie 25 5.4.3Golfslagenergie 27 5.5Energie uit de aarde 27 5.5.1Geothermische energie 27

6Verder oefenen? 29

ISAAC-actie

ISAAC-actie: de toekomst van energie 40 Studiewijzer 42

Energiebronnen van de toekomst

Tegenwoordig wordt er veel gesproken en nagedacht over hoe wij als mens in onze groeiende energiebehoeften zullen voorzien. Fossiele brandstoffen raken uitgeput, om nog maar te zwijgen over de klimaatverandering als gevolg van de bijhorende CO2-uitstoot. Gelukkig wordt er ook onderzoek gedaan naar nieuwe en duurzame energiebronnen.

Scan de QR-code en bekijk het filmpje.

1Energievormen

We behandelden de grootheid energie al vorig schooljaar in module 8 ‘Energieomzettingen’ en herhalen deze dit jaar kort.

1.1Energie

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.

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 EENHEID

NAAMSYMBOOLNAAMSYMBOOL

energie E joule J

De joule is gedefinieerd als de energie die nodig is om een lichaam te verplaatsen met een kracht van 1 newton over een afstand van 1 meter. De massa van dat lichaam is hierbij niet van belang.

1J = 1N ⋅ m = 1 kg ⋅ m2 s2

Er zijn ook andere vaak gebruikte eenheden van energie die we hier kort vermelden:

1 eV = 1 elektronvolt 1,602 10 19 J

1 kWh = 1 kilowattuur 3,6 MJ

1 kcal = 1 kilocalorie 4,184 kJ

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. Deze energie raakt nooit op en kan je voor een onbeperkte tijd gebruiken.

Kinetische

Elastische

Chemische energie

Thermische energie

Elektrische

Stralingsenergie

Kernenergie

2Arbeid

In fysica heeft arbeid een andere betekenis dan wat we doorgaans in het dagelijkse leven met arbeid bedoelen. Om arbeid te kunnen leveren heb je energie nodig.

Arbeid is de energie die nodig is om een voorwerp met een bepaalde kracht over een bepaalde afstand te bewegen.

GROOTHEID EENHEID NAAMSYMBOOLNAAMSYMBOOL

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.

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 een kracht loodrecht staat op de verplaatsing levert ze geen arbeid.

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.

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-energie theorema

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-energie theorema zegt nu:

De arbeid verricht op een systeem door de resulterende kracht, is gelijk aan de verandering van de kinetische energie van het systeem.

W = ΔEkin

2.3Arbeid en energieomzettingen

Bij het verrichten van arbeid wordt steeds energie omgezet. Zo wordt bij speerwerpen de chemische energie via de arbeid van de spierkracht omgezet in kinetische energie van de speer. We bekijken energieomzettingen in het volgende hoofdstuk 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

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 schommelen wordt zwaarte-energie in kinetische energie omgezet en omgekeerd.

Tijdens het biljarten wordt kinetische energie overgedragen van de ene biljartbal op de andere.

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. Bv. een gesloten thermoskan die perfect geïsoleerd is.

• Een open systeem is een systeem dat materie en energie met zijn omgeving kan uitwisselen. Bv. de zon, ze verliest materie (zonnewind) en energie (straling).

• 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. Bv. een kookpot met deksel op een vuur.

3.2Energiedissipatie

Energiedissipatie is het verlies aan nuttige energie door onder andere wrijving en warmte.

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 altijd minder hoog.

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

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.

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.

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

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 hieronder.

5.1.1Kernsplijting

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 6 GW en zorgen ze voor ruim 50 % van het Belgische 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

regelstaven

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 uranium atoom 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:

kern kernreactor waterpomp

stoom

turbine

drukregelvat generator opgewarmd koelwater koud koelwater koelwaterbron watervang

waternevel

warme lucht

waterdamp koelwaterbassin

De kettingreactie ziet er dan als volgt uit:

Meer weten over kernsplitsing 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 (radioactieve 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. Misschien kunnen we radioactief afval van de vorige kernreactoren in de toekomst 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 kernsplijting reactoren 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 president Macron heel wat nieuwe kerncentrales bouwen tegen 2050. Via de QR-code kan je hier meer over lezen.

5.1.2Kernfusie

Op internationaal niveau doet men ook onderzoek naar kernfusie, met het ITER-project. We bekijken in wat nu 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.

fusie reactie

deuterium (d)

helium (he)

energie

tritium (t) neutron (n)

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.

Deze fusie reactie 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 zodanig dat 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.

pla sma

werking 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.

toroïdale veldmagneet poloïdale veldmagneet centrale solenoïde magneet vacuümkamer breeding blanket

warmte uitwisselaar

stoomgenerator stoomturbine

stroomnetwerk

verwarmingselement

deuterium

deuterium tritium

helium neutron

energie

tritium

zeewater helium

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.

5.2.1Zonne-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 zo veel mogelijk zonne-energie te kunnen omzetten in elektrische energie.

zonne-energiecentrale

zonlicht

zonnepanelen batterijenstroomnetwerk

energie-overdracht naar gebruiker

Ook bij ons zijn er al dergelijk 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.

WIST-JE-DAT

Er zijn natuurlijk nog meer innoverende manieren om de energie van de zon om te zetten. We overlopen er een aantal hieronder.

5.2.2Zonnetorens

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.

5.2.3Zonnetoren

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).

turbine opgewarmde lucht warmte van de zon

koude lucht uitgestoten lucht

Meer zien 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.

5.2.4Zonneoven

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.

5.2.5Energieopwekkende 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.

5.2.6Doorzichtige

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.

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 hieronder enkele innovaties.

5.3.1Stille 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 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/

5.3.2Windturbines

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.

5.3.3Windturbines 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.

Altaeros BAT (Buoyant Airborne Turbine)

De Altaeros Airborne Windturbine bestaat uit een met helium gevulde, opblaasbare constructie, waarbinnen zich een lichtgewicht turbine bevindt. Op grote hoogten heeft deze turbine toegang tot een sterkere wind en kan dus meer elektriciteit opwekken dan een windturbine dichtbij de grond. Deze opgewekte elektriciteit wordt dan naar de grond gestuurd en van daaruit verdeeld.

Scan de QR-code hierboven en bekijk het filmpje.

5.3.4Windturbines 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 bovenstaande QR-code.

5.4Energie uit water

5.4.1Getijdenenergie

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

getijdenenergie

getijdenwater kabel oceaan

5.4.2Blauwe energie

Blauwe energie wordt opgewekt uit water, meer bepaald uit zout en zoet water, welke twee belangrijke ingrediënten zijn 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 niet de Cl–-ionen 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 niet de Na+-ionen, waardoor de negatief geladen deeltjes (de chloride-ionen) van het zoute water kunnen overgaan naar het zoete water. stroom

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.

5.4.3Golfslagenergie

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

5.5Energie uit de aarde

5.5.1Geothermische 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.

reservoir

binnenkomende golf uitstroom via turbine

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.

In recente experimenten werd water in een magma laag gebracht waardoor een enorme hoeveelheid stoom ontstond. Die stoom werd dan gebruikt om een turbine aan te drijven.

geothermische energie

turbine en generator koeltorens

waterinjectieput afgekoeld water stoom

warm water

stoom energie warm gesteente magma

Meer leren over geothermische energie? Ga naar de miniwebsite door de QR-code te scannen.

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 het vlak van energie.

Misschien kent één van de innovaties hierboven 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, wij ‘de mens’ een energieomzetter ingebouwd krijgen die onze kinetische energie omzet in elektrische energie.

6Verder oefenen?

Begrijpen

Kan jij enkele voorwerpen bedenken waarin elastische energie is opgeslagen? Noteer.

Welke energievormen spelen een rol in de volgende situaties? Noteer.

Een Formule 1-auto vertrekt vanuit stilstand.

Een poetser 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.

Een laptop staat aan.

Vul voor elk voorbeeld de kolommen aan. Ga na of er sprake is van een kracht en een verplaatsing. Controleer dan of de kracht voor de verplaatsing heeft gezorgd en bepaal of er arbeid is geleverd.

VOORBEELD

Een container wordt omhoog gehesen.

Een vrouw werkt op de computer.

Een mama trekt een slee vooruit.

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.

Een tennisbal valt naar beneden.

De wrijvingskracht remt een rollende voetbal af tot hij stil ligt.

Een man loopt over de straat met zijn tas in zijn hand.

IS ER EEN KRACHT EN EEN VERPLAATSING?

ZORGT DE KRACHT VOOR DE VERPLAATSING? IS ER ARBEID GELEVERD?

We bekijken het voorbeeld van speerwerpen. Hierbij oefent men spierkracht uit, deze spierkracht verricht arbeid, de kinetische energie van de speer neemt toe. Welke energieomzetting vindt er plaats? Noteer en noteer ook de formule van deze energieomzetting.

Een veer wordt uitgerekt en vervolgens losgelaten om iets weg te schieten. Welke energieomzetting vindt er plaats? Noteer.

Stel de energiebalans op voor de volgende situaties:

Een zonnecel zet een deel van de stralingsenergie van de zon om in elektrische energie.

Een lamp zet elektrische energie om in stralingsenergie, waarvan een deel als zichtbaar licht.

Een meisje loopt de trap op.

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.

In een 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.

Noteer de energiebalans van deze energieomzettingen:

Toestand A → toestand B

Toestand B → toestand A

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 werkt op een voorwerp en het voorwerp gaat zich hierdoor verplaatsen, dan wordt dit geleverd.

Zo noemen we de energie van voorwerpen die ze hebben door het krachtveld waarin ze zich bevinden.

Zo noemen we de energie van voorwerpen die ze hebben door hun snelheid.

Dit is de manier waarop energie voorkomt.

Zo noemen we hernieuwbare energie.

Deze energie is opgeslagen in elastische voorwerpen als gevolg van een elastische vervorming van dat voorwerp.

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 we atomen samensmelten of uiteen laten 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 de energie die nodig is om een voorwerp met een bepaalde kracht over een bepaalde afstand te bewegen.

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.

Als je dit bezit, ben je in staat om arbeid te leveren.

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 voorwerp. Hoe noemt deze wet?

Vul onderstaande tabel aan.

NAAM GROOTHEID SYMBOOL GROOTHEID FORMULE

arbeid P kinetische energie

Ev

Enuttig

Etotaal

E = m g h

E = h f elektrische energie

10 11 a b c d e f g h i 12 a b 13 14 a b c d e

Geef vijf energievormen die we besproken hebben en leg kort uit wat ze inhouden. Geef, als we die gezien hebben, ook de bijhorende formule.

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

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 er vanuit gaan 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.

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.

Joke fietst na een stevig ontbijt de Koppenberg op.

Toepassen

Bij een klassieke gloeilamp wordt tot 95 % van de elektrische energie omgezet in warmte. Er wordt dus slechts 5 % van de elektrische energie omgezet in licht (stralingsenergie). 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. Bereken het rendement van deze lamp.

Bij een moderne ledlamp wordt 50 % van de elektrische energie omgezet in licht (stralingsenergie). De overige 50 % wordt 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 en 5,0 J in licht. Bereken het rendement van deze lamp.

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?

Bereken de veerenergie van een veer met veerconstante k = 10 N m die 20 cm uitgerekt is.

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. Bereken de snelheid van de bal net voor hij de grond raakt, gebruik hierbij het arbeid-energie theorema. Noteer ook welke energieomzetting er plaatsvindt.

Op een schuine berg (15°) staat een fietser stil op een hoogte van 10 m. Hij laat zich naar beneden rollen, zonder te trappen. We gaan ervan uit dat we alle wrijving mogen verwaarlozen. De massa van de fietser en zijn fiets bedraagt 100 kg. Bereken de snelheid van de fietser onderaan de berg, gebruik hierbij het arbeid-energie theorema. Teken ook de krachten die inwerken op de fietser.

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 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

Stel de energiebalans kwalitatief en kwantitatief op.

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

Stel de energiebalans kwalitatief en kwantitatief op en bereken met welke snelheid het blokje de grond raakt.

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.

In een pretpark maak je een ritje op de Cobra. Er zitten 25 mensen op het treintje en het treintje heeft een totale massa van 2300 kg.

Je wordt omhooggetrokken tot op 34,0 m boven de grond. Je vertrekt uit dat punt uit rust. Daarna beweeg je enkel nog onder invloed van de zwaartekracht. We veronderstellen dat de wrijving verwaarloosbaar is.

Welk soort energie bezit het treintje bij zijn vertrek? Bereken deze. Na een tijdje rijdt het treintje over een bergje van 12,0 m hoog. Wat is zijn snelheid in dat punt? Bereken.

Over de vlakke stukken (0 m) rijdt het treintje nog sneller. Wat is zijn snelheid daar? Bereken. Welk soort energie bezit hij daar? Noteer.

Bezit een regendruppel eigenlijk veel energie? Stel dat een regendruppel met een massa van 0,05 gram zich bevindt op een hoogte van 15 m. De regendruppel is daar aan het vallen met een snelheid van 36 km h . Bereken de totale energie van de regendruppel.

Vergelijk de kinetische energie van een auto (m = 1,0 ton) en een vrachtwagen (m = 12 ton), bij een snelheid van 50 km h

Vergelijk de bewegingsenergie van een auto (m = 1,0 ton) die 50 km h rijdt en een auto die 100 km h rijdt.

In een flipperkast wordt een balletje van 200 g weggeschoten door middel van een veer.

De veer met veerconstante 150 N m was 4,0 cm ingedrukt voor hij op het balletje losgelaten werd. Met welke snelheid raast het balletje door de flipperkast als we de wrijving verwaarlozen? Bereken.

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.

Welke massa kan een hijskraan met een vermogen van 34 kW in 55 s over een hoogte van 18m ophalen? Bereken.

In een pretpark is een achtbaan zeker 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.

b 18

d = 10,0 m F

E D

Vervolgens maakt het treintje een looping en doorloopt daarbij de punten C, D, E en F Sien zit in het treintje en beweegt in het traject DEF over een halve cirkel met diameter 10,0 m. In het hoogste punt (punt E) mag Sien natuurlijk niet uit het wagentje vallen. Het treintje moet daar dus een minimale snelheid hebben. Of met andere woorden: in dat punt moet de centrifugale kracht (of middelpuntvliedende kracht) dus gelijk zijn aan de zwaartekracht. C

De formule voor de centrifugale kracht is: F = m v2 r Met: m = massainkg v = snelheidin m s r = straalvandecirkelinm

Bereken met behulp van deze formule de minimale snelheid. Jullie leren meer over de eenparig cirkelvormige beweging in de module over bewegingsleer.

Stijn speelt minigolf en probeert zijn derde balletje (m = 45 g) te putten. Hij slaat met zijn putter hard tegen de bal waardoor die de helling (h = 0,5 m) oprolt met een beginsnelheid van 3,5 m s . De wrijving mag hierbij verwaarloosd worden. Met welke snelheid bereikt het balletje de hole? Bereken.

Analyseren

Tijdens energieomzettingen wordt meestal een deel van de energie omgezet in thermische energie. Die warmte-energie is niet nuttig en ook niet herbruikbaar. In deze leerlingenproef onderzoeken we dit fenomeen.

In dit experiment gaan we bepalen hoeveel energie omgezet wordt in warmte-energie tijdens het botsen van een balletje op de grond.

Zoek een aantal balletjes, knikkers, … bij elkaar. Je hebt er eigenlijk maar ééntje nodig, maar als je het experiment een paar keer uitvoert met verschillende ballen, kan je het effect van het materiaal van de ballen onderzoeken. Je kan ook de ondergrond veranderen en bekijken of dat een effect heeft.

Teken op een groot karton of stevig papier (bijvoorbeeld A2 of 50 cm op 100 cm) een ruitjesstructuur (ruitjes van 5 cm op 5 cm). Teken ook een x- en y-as, zodanig dat je de positie van het balletje makkelijk kan aflezen. Plaats dit karton rechtop op een tafel (als je papier gebruikt, kan je de tafel tegen de muur schuiven en het papier aan de muur bevestigen).

Je hebt ook een gsm nodig zodanig dat je het experiment kan filmen.

Kies nu een bal en laat die botsen op tafel. Film de val en botsing van de bal.

Lees de hoogte af waarop het balletje vertrekt (losgelaten wordt) en de hoogte die het heeft na de botsing (kies hierbij telkens hetzelfde punt van de bal, bijvoorbeeld het middelpunt van de bal of de onderkant).

Bepaal op basis van de gegevens de zwaarte-energie bij de start van de proef en de zwaarte-energie na de botsing. Op basis van die gegevens kan je berekenen hoeveel energie omgezet werd in thermische energie tijdens de botsing.

Met warmtegevoelig papier kan je deze warmte-energie echt zichtbaar maken!

Belangrijk: laat de bal gewoon vallen, gooi hem niet naar beneden.

Oriëntatie

ONDERZOEKSVRAAG

HYPOTHESE

Voorbereiding BENODIGDHEDEN

PROEFOPSTELLING WERKWIJZE

Uitvoering MEETRESULTATEN

Reflectie

BESLUIT

Geef een duidelijk antwoord op de onderzoeksvraag en controleer met je hypothese.

Extra opdrachten

a b c

Bepaal op basis van bovenstaande resultaten het rendement van deze energieomzetting.

Hoe noemen we dit fenomeen? Noteer. Herhaal dit experiment met verschillende balletjes en knikkers. Welk verschil constateer je? Bespreek.

Je kan ook verschillende ondergronden uittesten. Veel onderzoek plezier!

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.

De toekomst van energie

Hernieuwbare energiebronnen, duurzame steden, algen als brandstof, … Deze innovatieve ideeën hebben allemaal een gemeenschappelijk doel: de CO2-uitstoot verminderen, klimaatopwarming tegengaan en leren als mens in harmonie samen te leven met onze planeet.

Scan de QR-code en bekijk de filmpjes.

Ik kan de concepten arbeid, energie, warmte en de verbanden ertussen gebruiken om energieomzettingen te kwantificeren.

Ik kan de namen en symbolen van de grootheden en eenheden van arbeid, energie, rendement en gemiddeld vermogen benoemen.

Ik kan het begrip energie definiëren als de mogelijkheid om verandering op te wekken.

Ik kan het begrip arbeid geleverd door een constante kracht op een voorwerp omschrijven en ik kan het begrip arbeid in voorbeelden uit het dagelijks leven interpreten.

Ik kan de formule W = F ⋅Δx cos α interpreteren. Ik kan deze formule in een formularium opzoeken en ik kan met behulp van deze formule één van de grootheden arbeid, kracht of verplaatsing berekenen als de andere gegevens gekend zijn.

Ik kan het begrip kinetische energie omschrijven.

Ik kan de formule Ek = 1 2 m v2 interpreteren. Ik kan deze formule in een formularium opzoeken en ik kan met behulp van deze formule één van de grootheden kinetische energie, massa of snelheid berekenen als de andere gegevens gekend zijn.

Ik kan het arbeid-energie theorema toelichten en in voorbeelden interpreten.

Ik kan een onbekende grootheid berekenen door gebruik te maken van het arbeid-energie theorema en met behulp van een formularium.

Ik kan het begrip potentiële zwaarte-energie omschrijven.

Ik kan de formule Ez = m g h interpreteren. Ik kan deze formule in een formularium opzoeken en ik kan met behulp van deze formule één van de grootheden potentiële zwaarte-energie, zwaarteveldsterkte, massa of hoogte berekenen als de andere gegevens gekend zijn.

Ik kan het begrip potentiële elastische energie omschrijven.

Ik kan de formule Ev = 1 2 k (Δl)2 interpreteren. Ik kan deze formule in een formularium opzoeken en ik kan met behulp van deze formule één van de grootheden potentiële elastische energie, veerconstante of uitrekking (indrukking) berekenen als de andere gegevens gekend zijn.

Ik kan de volgende energiesoorten omschrijven: elektrische energie, chemische energie, thermische energie en stralingsenergie.

Ik kan in een gegeven voorbeeld de aanwezige vorm(en) van energie herkennen.

Ik kan het begrip rendement omschrijven.

Ik kan de formule η = Enuttig Etotaal interpreteren. Ik kan deze formule in een formularium opzoeken en ik kan met behulp van deze formule één van de grootheden rendement, de nuttige energie of de totale energie berekenen als de andere gegevens gekend zijn.

Ik kan het begrip gemiddeld vermogen omschrijven.

Ik kan de formule P = ΔE Δt interpreteren. Ik kan deze formule in een formularium opzoeken en ik kan met behulp van deze formule één van de grootheden gemiddeld vermogen, de omgezette energie of de tijdsduur berekenen als de andere gegevens gekend zijn.

Ik kan het vermogen vergelijken in meerdere voorbeelden.

Ik kan de wet van behoud van energie in een geïsoleerd systeem omschrijven.

Ik kan een onbekende grootheid berekenen door gebruik te maken van de wet van behoud van energie en met behulp van een formularium.

Ik kan het begrip energiedissipatie omschrijven als het verlies aan nuttige energie door onder andere wrijving of warmte.

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.

Ik kan een oplossing voor een probleem ontwerpen aan de hand van natuurwetenschappen, technologie en wiskunde. Ik kan criteria en specificaties zoals behoeften, duurzaamheid, klimaat en ecologie bepalen. Ik kan bijvoorbeeld een systeem voor hernieuwbare energie ontwikkelen of een plan ontwikkelen om het energieverbruik te verminderen voor een bepaalde situatie.

Ik kan aan de hand van concrete maatschappelijke uitdagingen de wisselwerking tussen natuurwetenschappen, technische wetenschappen, wiskunde en de maatschappij onderzoeken. Ik kan hierbij de link leggen tussen natuurwetenschappelijke innovaties (bv. kernenergie, zonnepanelen, zonnetoren, windturbines,…) en klimaatverandering, hernieuwbare energie, leefbare en duurzame steden.

Colofon

Auteur Freya Vermeiren

Met medewerking van Anke Van Roy Eerste druk 2022

SO 0174/2022

Bestelnummer 65 900 0655 (module 1 van 90 808 0462) ISBN 978 90 4864 414 8 (module 1 van 978 90 4864 314 1)

KB D/2022/0147/127

NUR 126

Thema YPMP5Verantwoordelijke uitgever die Keure, Kleine Pathoekeweg 3, 8000 Brugge

RPR 0405 108 325 - © die Keure, Brugge

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.