Natuurkunde 3.1

• Wat is een energiebron?

  Alles wat een bruikbare soort energie kan leveren, noem je een energiebron. In een energiebron is een soort energie opgeslagen die een energieomzetter kan gebruiken:• Een zonnecel kan de stralingsenergie van zonlicht gebruiken.• Een windmolen kan de bewegingsenergie van stromende lucht gebruiken.• Een gasfornuis kan de chemische energie van aardgas gebruiken.Zonlicht, wind en aardgas zijn dus voorbeelden van energiebronnen: het zijn leveranciers van een bruikbare soort energie.
• Fossiele brandstoffen (91,4%)

  Fossiele brandstoffen zoals aardolie, aardgas en steenkool bevatten chemische energie. Aardolieproducten worden op grote schaal in het transport gebruikt. Aardgas wordt gebruikt voor het verwarmen van gebouwen en in elektriciteitscentrales. Steenkool wordt in Nederland in enkele elektriciteitscentrales gebruikt (figuur 1).
• Biomassa (4,5%)

  Biomassa is materiaal dat van planten en dieren afkomstig is. Je kunt denken aan snoei- en afvalhout, plantenresten en mest, maar ook aan gewassen zoals koolzaad en maïs. Biomassa levert chemische energie. Sommige soorten biomassa kun je direct verbranden. Mest kun je in een biogasinstallatie vergisten. Hierbij ontstaat een gasvormig product: biogas. Biogas lijkt qua samenstelling sterk op aardgas. Je kunt het voor dezelfde doelen gebruiken.
• Wind (1,7%)

  Wind wordt steeds belangrijker als energiebron. Je ziet steeds meer grote windmolens in het landschap. De wieken van zo’n windmolen of windturbine drijven een generator aan die in de molen is ingebouwd. Op die manier wordt de bewegingsenergie van de wind omgezet in elektrische energie.
• Atoomsplijting (1,4%)

  Sommige atoomkernen, zoals die van uranium, kunnen worden gespleten. Bij het splijten van zo’n atoomkern komt veel energie in de vorm van warmte vrij. In een kerncentrale wordt die warmte gebruikt om stoom te maken. De stoom spuit met grote snelheid tegen de schoepen van een turbine die aan een generator is gekoppeld. Deze generator zet die bewegingsenergie om in elektrische energie.
• Zon (0,6%)

  De zon is een bron van stralingsenergie. Die stralingsenergie kan door een zonnecel worden omgezet in elektrische energie. Steeds meer mensen laten panelen met zonnecellen op het dak van hun huis of schuur aanbrengen (figuur 2).
• Aardwarmte (0,2%)

  Hoe dieper je in de aarde komt, des te hoger wordt de temperatuur. Het is mogelijk om warmte die afkomstig is uit diepe aardlagen naar het oppervlak te halen. Voor de winning van deze aardwarmte worden twee putten gebruikt (figuur 3). Via de eerste put wordt heet grondwater uit de diepte omhooggepompt. Dit grondwater kan vervuild zijn en zouten bevatten. Het hete grondwater wordt door een warmtewisselaar geleid, waar het een deel van zijn warmte afgeeft aan schoon koud water. Daarna wordt het grondwater via de tweede put weer teruggepompt, de bodem in.
• Energietransitie


  Het proces waarbij een nieuw energiesysteem wordt ontwikkeld met klimaatneutrale energiebronnen
• De ideale energiebron is onuitputtelijk, altijd beschikbaar, milieuvriendelijk en goedkoop, maar bestaat niet
• Fossiele brandstoffen zijn niet onuitputtelijk
• Wind en zon zijn niet altijd beschikbaar
• Elke energiebron heeft nadelen voor het milieu en hoge kosten
• Aardgas


  Eerst gezien als ideale energiebron omdat bij verbranding alleen waterdamp en koolstofdioxide ontstaan
• Pas later ontstond het besef dat koolstofdioxide een schadelijk broeikasgas is en het klimaat op aarde verandert
• De Nederlandse regering wil zo snel mogelijk 'van het gas af' en overschakelen op andere, 'klimaatneutrale' energiebronnen
• Nieuw energiesysteem


  • Onuitputtelijk
  • Altijd beschikbaar
  • Milieuvriendelijk
  • Goedkoop
• 1 Fossiele brandstoffen vervangen

  Fossiele brandstoffen zijn bijna volledig vervangen door duurzame energiebronnen, zoals wind en zon. Energiecentrales zijn gesloten of draaien op biomassa en de meeste voertuigen rijden op elektromotoren. Huizen worden verwarmd door warmtepompen of met aardwarmte of met restwarmte van de industrie.
• 2 Gebruik van energie beperken

  Het gebruik van energie is zoveel mogelijk beperkt. Gebouwen zijn goed geïsoleerd en apparaten zijn efficiënt, zoals ledlampen en energiezuinige stofzuigers en koelkasten. Ook de bewustwording bij mensen om zuinig te zijn met energie (minder lang douchen, apparaten niet in de stand-bystand laten staan) draagt hieraan bij.
• 3 Energie opslaan

  Er zijn mogelijkheden om op een efficiënte manier grote hoeveelheden energie op te slaan. De energiebronnen wind en zon zijn immers niet regelmatig beschikbaar. Voorbeelden hiervan zijn opslag in grote accu’s of in de vorm van waterstofgas.
• 4 Energie lokaal produceren

  De energievoorziening is meer lokaal geregeld. De energie wordt bijvoorbeeld opgewekt door zonnepanelen op daken van gebouwen en door kleine windturbineparken verspreid over het land. Grote energiecentrales zijn minder belangrijk.
• Warmtebronnen in huis


  • cv-ketel
  • warmtepomp
  • kookplaat
  • oven
  • waterkoker
  • soldeerapparaat
  • föhn
  • wasdroger
• Elektrische boiler


  Verwarmingselement waar elektrische stroom doorheen loopt, waardoor het element warm wordt en elektrische energie wordt omgezet in warmte
• De hoeveelheid energie blijft gelijk

  Natuurkundigen hebben ontdekt dat de hoeveelheid energie bij een energieomzetting niet verandert. Bepaalde soorten energie verdwijnen, andere soorten energie komen daarvoor in de plaats, maar de totale hoeveelheid energie blijft steeds even groot. Daarom zijn de pijlen in een energiestroomdiagram links en rechts even hoog: dat geeft aan dat er in totaal niets bijkomt en niets afgaat.
• Energieomzetting in elektrische boiler

  1. Energie-input (verbruikt)

  2. Energie-output (geleverd)
• De energieomzetting in een elektrische boiler kan worden weergegeven in een energiestroomdiagram
• Warmte en temperatuur

  De meeste warmtebronnen die je thuis tegenkomt werken op elektrische energie. Denk aan een waterkoker waarmee je water aan de kook brengt voor een kop thee (figuur 2). De elektrische energie die zo’n warmtebron verbruikt wordt helemaal omgezet in warmte: voor elke joule verbruikte elektrische energie krijg je een joule warmte terug.
• Waterkoker


  Apparaat om water te verwarmen
• Verwarmen van water in een waterkoker

  1. Temperatuur stijgt van circa 20 °C naar 100 °C in enkele minuten

  2. Gemiddelde snelheid van watermoleculen neemt toe

  3. Watermoleculen krijgen meer bewegingsenergie
• Als het water een temperatuur van 100 °C bereikt, begint het te koken
• Een calorimeter

  Met een calorimeter kun je meten hoeveel warmte nodig is voor het verwarmen van een bepaalde hoeveelheid water. In figuur 3 zie je zo’n meter in dwarsdoorsnede. Het water in het bakje wordt verwarmd met een dompelaar: een verwarmingselement dat elektrische energie omzet in warmte. Omdat het bakje goed is geïsoleerd, wordt vrijwel alle geproduceerde warmte door het water opgenomen.
• Koken van water


  1. Warmte wordt gebruikt om de moleculen bij elkaar vandaan te laten bewegen

  2. Er ontstaan overal in de vloeistof bellen met waterdamp

  3. Temperatuur stijgt niet meer en blijft 100 °C

  4. Waterkoker schakelt zichzelf automatisch uit
• Meer water in een waterkoker

  Langer duurt het voordat het water kookt
• Soortelijke warmte

  De hoeveelheid warmte die nodig is om 1 g van een stof 1 °C in temperatuur te laten stijgen, noem je de soortelijke warmte van die stof. De soortelijke warmte van water is 4,2 J/(g °C). Als symbool voor soortelijke warmte wordt de letter c gebruikt. Je kunt de vorige zin dus ook als volgt schrijven: cwater = 4,2 J/(g °C). De soortelijke warmte is een stofeigenschap; elke stof heeft zijn eigen soortelijke warmte.
• uitwerkingE = P · t = 
• Soortelijke warmte


  De hoeveelheid warmte die nodig is om een bepaalde hoeveelheid van een stof in temperatuur te verhogen
• Berekenen van warmte


  1. Vermenigvuldig soortelijke warmte met massa en temperatuurstijging

  2. Q = c · m · ΔT
• Q


  Warmte in joule (J)
• Warmteverlies

  Als de temperatuur in huis hoger is dan de temperatuur buiten, verliest het huis voortdurend warmte aan de omgeving. Dat gaat snel als het waait, doordat de wind de warme lucht in en rond het huis meeneemt. Maar zelfs als het helemaal windstil is, lekt er voortdurend warmte weg. Dat gebeurt op drie manieren: door geleiding, door stroming en door straling (figuur 1).
• c


  Soortelijke warmte in joule per gram en per graden Celsius (J/(g °C))
• Geleiding

  Bij geleiding verspreidt de warmte zich door een stof, zoals baksteen of glas. Dat komt doordat de moleculen in de stof onophoudelijk met elkaar botsen. Daarbij geven ze hun bewegingsenergie aan elkaar door. Zo verspreidt de warmte zich van de plaats waar de temperatuur het hoogst is naar waar de temperatuur lager is. Metalen geleiden warmte goed; hout en kunststof geleiden warmte slecht.