1Energieomzettingen
1.1Energievormen
1.1.1Energie
Tegenwoordig definiëren we energie als volgt:
Energie is de mogelijkheid om een verandering teweeg te brengen.
GROOTHEID EENHEID
NAAMSYMBOOLNAAMSYMBOOL
energie E joule J
1J = 1N ⋅ m = 1 kg ⋅ m2 s2
De eenheid joule (J) is een kleine eenheid. Men gebruikt daarom vaak kJ en MJ of andere eenheden:
1 eV = 1 elektronvolt
1 kWh = 1 kilowattuur
1 kcal = 1 kilocalorie
Een energiebron is iets wat energie bevat.
1,602 ⋅ 10 19 J
3,6 MJ
4,184 kJ
Een energievorm is de manier waarop energie voorkomt.
Duurzame energie is hernieuwbare energie. Deze energie raakt nooit op en kan je voor een onbeperkte tijd gebruiken.
3
1.1.2Energievormen
1.1.2.1Zwaarte-energie
Een voorwerp dat zich op een hoogte h boven het aardoppervlak bevindt, bezit zwaarte-energie (of gravitationele energie).
Ez = m · g · h
waarbij:
m = massa (kg)
g = zwaarteveldsterkte N kg
h = hoogte (m)
De hoogte h wordt gemeten ten opzichte van een referentieniveau of referentiepunt dat vooraf gekozen wordt.
m h
Een voorwerp 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.
1.1.2.2Kinetische energie
Een voorwerp dat beweegt, bezit kinetische energie. Men noemt deze energievorm dus ook wel bewegingsenergie.
Een voorwerp 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
1.1.2.3Elastische energie
Elastische energie is opgeslagen in elastische voorwerpen als gevolg van een elastische vervorming van dat voorwerp.
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)
4
Elastische energie wordt ook gebruikt als energieopslag. Energie wordt daarbij tijdelijk in een elastisch voorwerp opgeslagen.
1.1.2.4Chemische energie
Chemische energie Ech 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.
1.1.2.5Thermische energie
Thermische energie kennen we ook als warmte.
De thermische energie is de totale bewegingsenergie van de structurele elementen (atomen, moleculen ...) van een systeem.
1.1.2.6Elektrische energie
De elektrische energie is gerelateerd aan de beweging van ladingen, zoals de beweging van elektronen.
1.1.2.7Stralingsenergie
Stralingsenergie is de energie uit elektromagnetische straling.
De verschillende soorten elektromagnetische golven verschillen van elkaar door hun golflengte, en dus ook door hun frequentie.
5
100 m Grootte van een gebouw Grootte van een atoom 1 m 10 nm0,01 nm0,0001 nm 1 cm0,01 cm1000 nm AMFM TV Radiogolven Microgolven Infrarood licht Ultraviolet licht Elektromagnetisch spectrum ZICHTBAAR
Röntgenstralen Gammastralen Afstandsbediening Radar, microgolfoven Golflengte LampZon Röntgenapparaat Radioactieve stoffen
LICHT
De frequentie geeft het aantal trillingen per seconde weer. Hoe hoger deze frequentie, hoe hoger de energie van de elektromagnetische golf.
We kunnen deze stralingsenergie berekenen met de formule: E = h ∙ f
van Planck =
f = frequentie Hz = 1 s
We zien dat de stralingsenergie recht evenredig is met de frequentie van de elektromagnetische golf. Hoe hoger de frequentie, hoe groter de stralingsenergie.
Hierboven gebruikten we de eenheid elektronvolt (eV) voor energie. De elektronvolt is een heel kleine hoeveelheid energie en wordt vooral in de atoom-, deeltjes- en vastestoffysica gebruikt.
1 eV = 1,602176565 ∙ 10–19 J
Of omgekeerd:
1 J = 6,2415096 ∙ 1018 eV
1 eV is de energieverandering van een vrij deeltje met lading e, als dat door een potentiaalverschil van 1 volt beweegt.
1.1.2.8Kernenergie
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 atomen samensmelten of uiteenvallen noemt men 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.
6
waarbij: h
6,62607 ∙ 10–34 J ∙ s = 4,13567 ∙ 10–15 eV ∙
= de constante
s
1.2Energieomzettingen
1.2.1Wet 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.
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
De wet van behoud van energie is enkel geldig in een geïsoleerd systeem.
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 een systeem dat energie kan uitwisselen met zijn omgeving, maar geen materie.
1.2.2Energiedissipatie en rendement
Energiedissipatie is het verlies aan nuttige energie door onder andere wrijving en warmte.
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 EENHEID
NAAMSYMBOOLNAAMSYMBOOL rendement η / /
Rendement heeft het symbool η (de griekse letter èta).
Rendement heeft geen eenheid, het is onbenoemd. Meestal wordt het rendement wel in procenten uitgedrukt.
Het rendement ligt altijd tussen 0 en 100%
7
1.2.3Energiebalans
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.
1.3Gemiddeld vermogen
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.
De eenheid watt is de SI-eenheid van vermogen, vernoemd naar de Schotse ingenieur James Watt, de uitvinder van de stoommachine.
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:
8
P = ΔE Δt GROOTHEID EENHEID NAAMSYMBOOLNAAMSYMBOOL gemiddeld vermogen P watt W
N
1W = 1 J s = 1
⋅ m s = 1 kg ⋅ m2 s3
1 J = 2,78 · 10–7 kWh
2.2Fasetoestanden en deeltjesmodel
2.2.1Vaste fase
In een vaste stof zijn de aantrekkingskrachten tussen de verschillende deeltjes van de stof groot. Deze aantrekkingskrachten tussen deeltjes van dezelfde soort noemen we cohesiekrachten.
De atomen zitten op een vaste plaats en kunnen amper bewegen. Als de temperatuur toeneemt, gaan ze wel heftiger trillen en gaan ze wat verder uit elkaar zitten.
Vaste stof bij lage temperatuur
• atomen trillen een beetje
• atomen op vaste posities
2.2.2Vloeibare fase
Vaste stof bij hogere temperatuur
• atomen trillen heftiger
• de ruimte tussen de atomen is toegenomen
• de atomen trillen nog steeds rond een vaste positie
In een vloeibare toestand zitten de deeltjes nog dicht bij elkaar, maar ze hebben geen vaste plaats meer. Ze kunnen vrij langs elkaar heen bewegen. Vloeistoffen zijn daardoor beweeglijker dan vaste stoffen. Als de temperatuur van een vloeistof toeneemt, dan gaan de atomen (of moleculen) sneller door elkaar heen bewegen en verder uit elkaar zitten.
De vloeistof in een thermometer zet uit als de temperatuur toeneemt
Vloeistof bij lage temperatuur
Vloeistof bij hogere temperatuur
10
2.2.3Gasvormige fase
In een gas is de krachtwerking tussen de verschillende deeltjes klein. De atomen (of moleculen) zijn heel beweeglijk en bewegen los van elkaar, met verschillende snelheden, kriskras door elkaar. Aangezien de deeltjes elk een andere snelheid hebben, wordt de gemiddelde inwendige kinetische energie van de deeltjes als referentie genomen voor de bewegingsenergie.
2.3De inwendige energie
De inwendige energie Einw is de som van alle vormen van energie die inwendig in het systeem aanwezig zijn, dus de som van de bewegingsenergie (inwendige kinetische energie) van de deeltjes (atomen of moleculen) en van de bindingsenergie (inwendige potentiële energie).
2.4Warmteoverdracht
Twee systemen met dezelfde temperatuur zijn in thermisch evenwicht.
Tussen systemen die niet in thermisch evenwicht zijn, wordt warmte uitgewisseld. Die uitwisseling van thermische energie tussen systemen met een verschillende temperatuur gebeurt van het systeem met de hogere temperatuur naar het systeem met de lagere temperatuur.
De hoeveelheid thermische energie die wordt uitgewisseld, noemen we warmtehoeveelheid of kortweg warmte
11
Gas
WarmKoud Warmteoverdracht van de warme kubus naar de koude kubus
De atomen in de warme kubus hebben een hoge inwendige kinetische energie
De atomen in de koude kubus hebben een lage inwendige kinetische energie
De inwendige kinetische energie van de atomen in de warme kubus neemt af
De inwendige kinetische energie van de atomen in de koude kubus neemt toe
De warmteoverdracht is
De inwendige kinetische energie heeft zich verspreid over het geheel van de twee kubussen
Deze uitwisseling van warmte kan in principe op drie manieren gebeuren:
door geleiding (conductie): deze warmteoverdracht gebeurt binnen de stof. Hierbij stroomt warmte-energie van deeltjes met een hogere inwendige kinetische energie naar deeltjes met minder inwendige kinetische energie. De warmte-energie stroomt dus van de deeltjes met een hoge temperatuur naar de deeltjes met een lage temperatuur.
door straling (radiatie): bij straling gebeurt de warmteoverdracht tussen twee lichamen die niet met elkaar in aanraking zijn en zonder gebruik te maken van een middenstof. Het warme lichaam geeft elektromagnetische straling af en verliest zo dus warmteenergie. Het andere lichaam absorbeert deze elektromagnetische straling deels of volledig en warmt zo op. Hier is dus geen contact met de warmtebron nodig, de warmteoverdracht kan zelfs in vacuüm gebeuren. Eigenlijk geven alle lichamen warmtestraling af. Hoe hoger hun temperatuur, hoe meer warmtestraling. door stroming (convectie): bij stroming gebeurt de warmteoverdracht door verplaatsing van een warm gas of warme vloeistof of van een koud gas of koude vloeistof.
2.5Merkbare en latente warmte
Indien er geen thermisch evenwicht is in een systeem, gebeurt er een uitwisseling van warmte-energie in het systeem om tot thermisch evenwicht te komen. Die warmte kan merkbare en/of latente warmte zijn.
2.5.1Merkbare warmte
Merkbare warmte is warmte die zorgt voor een verandering van de temperatuur van een stof.
De specifieke warmtecapaciteit van een stof is de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van één kilogram van een stof met 1 °C of 1 K te verhogen.
12
Twee kubussen naast elkaar
gestopt
Twee kubussen die tegen elkaar liggen
De twee kubussen hebben dezelfde temperatuur
1 2 3
13 GROOTHEID EENHEID NAAMSYMBOOL NAAM SYMBOOL specifieke warmtecapaciteit c joule kilogram ⋅ kelvin of joule kilogram gradenCelsius J kg ⋅ K of J kg ⋅ °C SPECIFIEKE WARMTECAPACITEIT J kg ⋅ °C VASTE STOFFEN c VLOEISTOFFEN c aluminium 900 ammoniak 4818 baksteen 840 butaan 1720 beton 840 glycerine 2420 gietijzer 530 koelmiddel (MEG) 3591 glas 837 kwik 140 goud 129 olie 2000 graniet 820 propaan 2540 grind 840 water (15 °C) 4186 hout 1880 GASSEN c V (bij constant volume) c p (bij constante druk) ijs 2200 ijzer 448 argon 313 520 koper 386 helium 3123 5196 kurk 1760 koolstofdioxide 650 / lood 128 lucht 721 1008 rubber 1470 stikstof N2 742 1036 zand (droog) zand (nat) 1600 1800 waterdamp 1410 2080 zilver 234 waterstof H2 100 ⋅ 102 143 ⋅ 102 zuurstof O2 658 918
2.5.2Latente warmte
Latente warmte heeft een verandering van aggregatietoestand tot gevolg, zonder dat daarbij een temperatuurverandering plaatsvindt.
2.6Warmtebalans
De totale energie in een geïsoleerd systeem blijft altijd constant.
In het geval van warmte-uitwisseling zal een warmtebalans dit energiebehoud garanderen.
In een geïsoleerd systeem is de som van de uitgewisselde warmtehoeveelheden gelijk aan nul:
Q1 + Q2 + Q3 + = 0
Hierbij zijn de warmtehoeveelheden die het systeem opneemt positief en de warmtehoeveelheden die het systeem afgeeft negatief.
14
