Overal Natuurkunde 5e ed - Hoofdstuk 5 - Energie en duurzaamheid oefentoetsen & antwoorden

GrootheidSymboolEenheidSymboolEnergieEJouleJVermogenPWatt (of kiloWatt)W (of kW)Tijdtseconde (uur)s (of h) Twee van de volgende verschillen:Biobrandstoffen zijn geproduceerd op basis van plantaardige grondstoffen of gewonnen uit levende organismen. Fossiele brandstoffen zijn ontstaan na een langdurig afbraakproces van vele duizenden jaren en bij de winning ervan zijn er risico’s voor de omgeving.  Biobrandstoffen bieden het voordeel dat ze de uitstoot van $\rm CO_2$ niet doen toenemen. De $\rm CO_2$ die vrijkomt tijdens hun verbranding werd immers eerder via fotosynthese door de plantaardige bron uit de lucht gehaald tijdens het groeiproces. Biobrandstoffen vormen dus geen nieuwe $\rm CO_2$-moleculen zoals fossiele brandstoffen.Een ander verschil is dat fossiele brandstoffen op den duur uitgeput raken, terwijl de plantaardige bronnen voor biobrandstof doorlopend hernieuwd kunnen worden. Een nadeel van kernafval is dat het schadelijke straling uitzendt. Soms duurt het duizenden jaren voordat de hoeveelheid straling zo klein is dat er geen gevaar meer is. Een voordeel van kernafval is dat het geen $\rm CO_2$ uitstoot en zo dus beter voor het milieu is. $\rm 2 H_2 + O_2 \rightarrow 2 H_2O$Omdat er bij de verbranding een volledig schoon product ontstaat, namelijk water (en niet bijvoorbeeld koolstofdioxide). Waterstof kun je produceren door elektrolyse. De stroom die je daarvoor gebruikt is vaak opgewekt door fossiele brandstoffen, en bij de productie daarvan wordt $\rm CO_2$ uitgestoten. 33 MJ = 9,2 kWh3,5 kWh = 12.600.000 J of 12,6 MJ4.500.000 J = 1,25 kWh3.000 kWh = 10.800 MJToelichting: Om van kWh naar Joule te gaan, vermenigvuldig je het getal met 3.600.000. Andersom, om van Joule naar kWh te gaan, deel je het getal door 3.600.000. Verder is 1 MJ = 1.000.000 Joule. Op plek 1 komt bewegingsenergie te staan en op plek 2 warmte. Uitwerking:De Wet van behoud van energie.Een rendement van 55% (η = 55) betekent dat maar 55% van de verbranding van het aardgas ($E_{tot}$) nuttig wordt gebruikt ($E_{nuttig}$). Dus 55% van de inkomende energie wordt gebruikt om het eten te verwarmen, de overige energie, in de vorm van licht en (rest)warmte heeft geen functie voor het koken van je eten. Het is niet zo dat deze energie weg is. De restwarmte warmt de omgeving op.De totale energie blijft volgens de wet op behoud van energie gelijk. Als jij sport verbrandt je in je lichaam stoffen die jouw energie geven. Een deel van die energie gebruik je om je spieren te laten werken (voor snelheid of voor kracht), het andere deel van de energie (dat je zou “verbruiken”) wordt gebruikt om je lichaam op temperatuur te houden. Ingaande energie: Elektrische energie, uitgaande energie: licht en warmte. Gegeven:P = 60 WVermogen voor (nuttig) licht = 3 J/s, oftewel: 3 WGevraagd: η = ?Formule: η = (Pnuttig / Pverbruikt) * 100%Berekenen: η = (Pnuttig / Pverbruikt) * 100% = (3/60) * 100% = 5%Conclusie: Het rendement van de gloeilamp is 5%.Het rendement van een gloeilamp is 5%. Vijf procent gaat naar het geven van licht en dus gaat er 100 - 5 = 95% naar het geven van warmte aan de ruimte. Terwijl het de taak van een lamp is om licht te geven. Dit betekent dat er door de gloeilamp veels te veel energie werd verspilt aan iets niet-nuttigs. Omdat de gloeilamp heel veel energie verspilde, is de gloeilamp uit de handel gehaald. Hiermee voorkom je dat er warmte verloren gaat naar buiten gaat. Via de muren, de ramen en het dak gaat in de winter veel warmte verloren. Door juist hier te isoleren, voorkom je warmteverlies in de winter. Verbrandingswarmte betekent dat bij de verbranding van een product (de brandstof) bij een bepaald volume of een bepaalde massa, een hoeveelheid energie vrij komt. De verbrandingswarmte van hout is 16 MJ/kg dus bij de verbranding van 1 kg hout komt er 16 MJ (= 16.000.000 Joule) aan energie vrij. De verbrandingswarmte van spiritus is 18 MJ/l dus bij de verbranding van 2 liter spiritus komt er 2x 18 MJ = 36 MJ (= 36.000.000 Joule) aan energie vrij.De verbrandingswarmte van aardgas is 32 MJ/m3 dus bij de verbranding van 0,4 m3 aardgas komt er 0,4 x 32 = 12,8 MJ (= 12.800.000 Joule) aan energie vrij.  0,60 x 16 = 9,6 MJ (hout)0,60 x 36 = 21,6 MJ (spiritus)0,60 x 12,8 = 7.68 MJ (aardgas)Je hebt dan meer spiritus nodig om dezelfde hoeveelheid energie te krijgen.  Biomassa is de massa van organismen, zoals: planten en dierenresten, zoals hout, groente-, fruit- en tuinafval, mest en plantaardige olie.Je maakt hier energie van door deze te verbranden.Bij de verbranding van biomassa komt $\rm CO_2$ vrij (dat gebeurt bij elke verbranding van koolstofrijk materiaal: aardolie en benzine bestaan ook grotendeels uit koolstof). Daarom is het niet zo schoon als het misschien lijkt.  De roetfilters zitten erin om fijnstof tegen te gaan. En wanneer er minder fijnstof in de lucht zit, is dat beter voor het milieu. De energiecentrales worden gekoeld door dat water, wat zorgt voor thermische verontreiniging. De 3 P’s staan voor people, planet en profit. Voor alle drie die woorden moet het gunstig zijn om duurzaam te kunnen zijn. Dus het moet goed zijn voor de mensen (ze kunnen er bijvoorbeeld geld aan verdienen), het moet goed zijn voor de planeet (geen $\rm CO_2$-uitstoot bijvoorbeeld) en het moet goed zijn voor de winst (er moet geld verdiend worden en geen geld kosten. Als je waterstof verbrandt komt er alleen maar water vrij. Bij de productie van de waterstof is wel \rm CO_2$ uitgestoten. Dus ook al stoot je tijdens het rijden geen extra $\rm CO_2$ uit, er is wel degelijk $\rm CO_2$ vrijgekomen bij het maken van de brandstof. Gegeven: 3.500 kWhBedrag: € 0,20Formule: -Berekening: 3.500 x 0.20 = € 700 per jaarIn een jaar zitten 365 dagen dus het bedrag per dag is 700/365 = € 1,92Conclusie: het kost per jaar 700 euro en per dag € 1,925% van 3.500 = 175 kWh175 - 150 = 25 kWh besparingDat kost 25 x 0,20 = € 5,00. Gegeven: Massa (m) van het water = 3000 kgHoogte (h) = 30 meterZwaartekrachtsconstante: $g = 9,8 N/kg$Gevraagd: Zwaarte-energie ($E_z$)Formule: $E = m \cdot g \cdot h$Berekening: $\rm E_z = 3000 \cdot 9,8 \cdot 30 = 900.000 J = 900 kJ = 0,9 MJ$Conclusie: Dus het meer levert 0,9 MJ zwaarte-energie. Gegeven:Totale energie 58 kJ (en alle energie van het buskruit wordt omgezet naar zwaarte-energie)Rendement 80%$g = 9,8 N/kg$Gevraagd: HoogteFormules: $\eta = \frac{E_{nut}}{E_{tot}} \times 100 \%$, oftewel $E_{nut}=\eta \times E_{tot} / 100\%$$E_z = m \cdot g \cdot h$, oftewel: $h = \frac{E_z}{m \cdot g}$Berekening:$E_{nut}=\eta \times E_{tot} / 100\% = 80 \times 58 / 100 = 46,4$ kJDit is de totale zwaarte-energie. Zet om naar J om te gebruiken in de formule voor zwaarte-energie: 46400 J.$h = \frac{E_z}{m \cdot g} = \frac{46,4}{5,5 \cdot 9,8} = 860,8…$Conclusie: De kogel komt inderdaad ruim 860 m hoog. Een energiezuinig apparaat heeft niet alleen een laag energieverbruik, maar zorgt ook dat er weinig energie verloren gaat. Dan moet het dus veel nuttige energie produceren (= een hoog rendement hebben). De lamp die het meeste licht produceert is het gunstigst. Het rendement is een maat voor hoeveel van het verbruikte vermogen nuttig wordt gebruikt als licht: $\eta =\frac{P_{nut}}{P_{tot}} \times 100 \%$De ledlamp heeft het hoogste rendement, en zet dus veel van de verbruikte energie om in licht. De hoeveelheid vermogen die naar de productie van licht gaat is: $P_{nut}=\eta \times P_{tot}=0,6\times 20 \ W=12 \ W$.De spaarlamp heeft een iets lager rendement, en zet minder van de verbruikte energie om in licht. De hoeveelheid vermogen die naar de productie van licht gaat is: $P_{nut}=\eta \times P_{tot}=0,4\times 15 \ W=6 \ W$De gloeilamp heeft een laag rendement, en zet weinig van de verbruikte energie om in licht. De hoeveelheid vermogen die naar de productie van licht gaat is: $P_{nut}=\eta \times P_{tot}=0,1\times 60 \ W=6 \ W$Conclusie: de ledlamp produceert het meest licht en is het meest gunstig.  Gegeven: Vermogen (P) is 25 kW = 25.000 WTijd (t) is 30 minuten = 30 x 60 = 1800 secondeGevraagd: De energie (E) in de vorm van warmteFormule: E = P x tBerekening: E = 25.000 * 1800 = 45.000.000 Joule = 45 MJConclusie: 45 MJ aan warmte.Let op: zorg dat je in de formule het vermogen (P) in Watt (W) invult en de tijd (t) in seconde (s). Vergeet aan het eind van de berekening ook niet de eenheid in te vullen. Totaal heb je dus 45 MJ aan energie nodig. De verbrandingswarmte van aardgas is 33 MJ per kubieke meter. Om te weten hoeveel m$^3$ je nodig hebt, moet je deze getallen door elkaar delen. Dus 45/33 = 1,36 m$^3$.  Gegeven:1 kWh = 3,6 MJ = 3600000 JE = 860 miljard kWh = 860.000.000.000 kWhGevraagd: E in jouleFormule: $E = P \cdot t$Berekenen: E = 860000000000 * 3600000 = 3,096 * 1018 JConclusie: 860 miljard kWh is 3,096 * 10$^{18}$ joule. Gegeven: E = 3,01 * 10$^{14}$ kJ = 3,01 * 10$^{17}$ JGevraagd: E in kWhFormule: 1 kWh = 3,6 MJ = 3600000 JBerekenen:E = (3,01 * 10$^{17}$ J) / 3600000 = 8,3611111 * 10$^{10}$ ≈ 8,36 * 10$^{10}$ kWhConclusie: Omgerekend is dit 8,36 * 10$^{10}$ kWh. Gegeven:Hoeveelheid duurzame energie = 3,01 * 10$^{17}$ JTotale energieverbruik = 3,096 * 10$^{18}$ JGevraagd: Percentage duurzame energieFormule = (Hoeveelheid duurzame energie / Totale energieverbruik) * 100%Berekenen: ((3,01 * 10$^{17}$ J)/(3,096 * 1018 J)) * 100% = 9,7222% ≈ 9,72%Conclusie: 9,72% van de totaal gebruikte energie kwam in 2020 van een duurzame energiebron. 150 kilometer betekent dat de auto 150/15 = 10 liter benzine nodig heeft om die afstand te kunnen rijden. 1 liter levert 33 MJ op, dus 10 liter levert 10x33MJ= 330MJ op.300 MJ is het nuttige deel, dus dat is 40%. Om te weten hoeveel energie er totaal nodig is, moet je eerst naar 100% rekenen. Dat doe je door 300/40 * 100%= 750 MJ. De auto heeft dus ‘in het echt’ 750 MJ nodig. 1 liter levert 33 MJ dus voor 750 MJ heb je 750/33 = 22,7 liter benzine nodig. Aardwarmte (=geothermie) (want er zijn op IJsland veel vulkanen)Zonne-energieStuwmeren (om energie te maken door water te laten weglopen via turbines)Windenergie (want het waait daar relatief hard). (Ook goed: getijdenenergie). 3918 / 3 = 1.306 windmolens7.500 miljoen / 3.500 = 2,1 miljoen huishoudensDit is een goede keuze omdat de wind niet wordt tegengehouden door gebouwen of andere dingen die ervoor kunnen gaan staan. Zo kan de beweging van de wind optimaal gebruikt worden. $\rm 2 H_2O \rightarrow 2 H_2 + O_2$Omdat de broeikasgassen ondergronds worden opgeslagen. Zo dragen ze niet bij aan de opwarming van de aarde.Blauwe waterstof wordt opgewekt met aardgas, en groene met behulp van duurzame energie. Aardgas is een relatief goedkope brandstof.  Gegeven: Waterstof levert 120 MJ/kgVerbruik van 0,21 kWh/km = 0,21 * 3.600.000 J/km =756.000 J/km = 0,756 MJ/kmHoeveelheid waterstof 5,6 kgRendement 59%Gevraagd: actieradius, dus het aantal km dat je kunt rijdenFormule: $\eta = \frac{E_{nut}}{E_{tot}} \times 100 \%$, oftewel $E_{nut}=\eta \times E_{tot} / 100\%$Berekenen:Totale hoeveelheid waterstof = 5,6 kg, dus totale hoeveelheid geleverde energie = 5, 6 * 120 MJ = 672 MJDeze 672 MJ is de totale energie. De nuttige energie = $E_{nut}=\eta \times E_{tot} = 59 \times 672 /100 \approx 396$ MJActieradius = Nuttige energie / energieverbruik per km = 396 / 0,756 = 523,8… kmConclusie: De actieradius is ongeveer 524 km. Gegeven:Energiedichtheid 33 MJ/L (je hebt geen omzetting naar kg nodig)Rendement 30%Totale hoeveelheid nuttige energie die moet worden geleverd: 396 MJ (uit opgave a)Gevraagd: aantal literFormule:  $E_{tot}=E_{nut} / \eta$Berekenen:$E_{tot}=E_{nut} / \eta  =396 \ 0,3 = 1320$ MJAantal liter = Geleverde energie / energiedichtheid = 1320 / 33 = 40 LConclusie: Je hebt 40 L benzine nodig om even ver te komen.Een waterstofauto heeft een zeer sterke en zware tank nodig om de (samengeperste) waterstof veilig te kunnen vervoeren. Daardoor is de massa van de waterstofauto veel groter dan de massa van de benzineauto en zal de benzineauto dus zuiniger rijden. Je hebt dan minder benzine nodig om even ver te komen.