Nova Natuurkunde MAX 2020 deel A - Hoofdstuk 3 - Energie oefentoetsen & antwoorden

a) De fossiele brandstoffen. (ca. 91,4%).  b) Gebruik van vrijwel enkel duurzame energiebronnen Efficient energiemanagement Grootschalige energieopslag Lokaal produceren van energie c) Dit geeft aan hoeveel energie je nodig hebt om 1 gram van een stof 1 graden Celsius te verwarmen. d) Temperatuur in Kelvin = Temperatuur in graden Celsius + 273 e) Door de drie vormen van warmtetransport: geleiding, straling en stroming. f) Er is in huis een dynamisch evenwicht wanneer de binnentemperatuur constant blijft. Dit gebeurt enkel wanneer de verwarming evenveel warmte levert aan het huis als dit naar buiten verliest. g) Hoeveel procent van de totale energie die een proces ingaat nuttig gebruikt wordt. h) Dit betekent dat er bij iedere kubieke meter aardgas die je verbrandt 32 MJ vrijkomt aan warmte. a) Ingaande energie: elektrische energie, uitgaande energie: warmte. b) Gegeven:P = 2200 Wm = 1,5 kg  = 1500 g ΔT = 100 - 15 = 85 °Cc = 4,18 J/g * °CGevraagd: t = ?Formules: Q = c * m * ΔTE = P * t, ombouwen geeft → t = E/PInvullen:Eerst berekenen hoeveel energie er nodig is om 1,5 kg water 85 °C te verwarmen: Q = c * m * ΔT = 4,18 * 1500 * 85 = 532950 J. De waterkoker moet deze hoeveelheid energie dus leveren.Per seconde levert de waterkoker 2200 J aan energie. Het vermogen is namelijk 2200 W (oftewel 2200 J/s).De waterkoker doet er dan t = E/P = 532950 / 2200 = 242,25 seconden over om het water te koken.Antwoord: Het duurt 242,25 seconden om met deze waterkoker 1,5 kg water 85 graden Celsius te verwarmen. a) Voordeel: Deze energiebronnen kunnen 24 uur per dag energie geven (zolang ze niet op zijn).Nadeel: De afvalstoffen die bij het verbranden van deze stoffen ontstaan, zijn slecht voor het klimaat en het milieu.b) Voordeel: Belasten het klimaat en milieu zo goed als niet. Zonne-energie gaat niet op.Nadeel: Levert niet een constante hoeveelheid aan energie. a) Warmte stroomt vanuit de ketel met het water mee door de leidingen de verwarming in. De warmte kan zich ook door het metaal verplaatsen. Dit komt doordat het metaal de warmte geleidt. Daardoor wordt de buitenkant van de verwarming warm. Hierdoor straalt de verwarming warmte uit en wordt de lucht die boven de verwarming is warmer. Deze lucht stijgt op in de kamer en hierdoor komt er een luchtstroming tot stand waar de warmte zich in mee verplaatst.  b) Er geldt hoe groter het temperatuurverschil tussen twee plekken, hoe meer warmte er van de warmere plek zal weglekken naar de koudere plek. Dit zie je ook terug in de formule voor weglekkende warmte via wanden: Q = U * A * ΔT. In de winter is het temperatuurverschil tussen binnen en buitenshuis groter, dus zal er meer warmte weglekken. Hierdoor moet de verwarming meer warmte leveren om het binnen 20 °C te hebben ten opzichte van de lente. In de lente zijn de temperatuurverschillen kleiner dan in de lente, dus zal er in de lente minder warmte uit huis weglekken en dus hoeft de verwarming daarom dan minder warmte te leveren in verhouding met de winter. a) Ingaande energie: Elektrische energie, uitgaande energie: licht en warmte.b) Gegeven:P = 60 WVermogen voor (nuttig) licht = 3 J/s, oftewel: 3 WGevraagd: η = ?Formules: η = (Pnuttig / Pverbruikt) * 100%Invullen:η = (Pnuttig / Pverbruikt) * 100% = (3/60) * 100% = 5%Antwoord: Het rendement van de gloeilamp is 5%.c) 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. a) Gegeven:1 kWh = 3,6 MJ = 3600000 JE = 860 miljard kWh = 860.000.000.000 kWhGevraagd: E in jouleInvullen:E = 860000000000 * 3600000 = 3,096 * 1018 JAntwoord: 860 miljard kWh is 3,096 * 10$^{18}$ joule.b) Gegeven:1 kWh = 3,6 MJ = 3600000 JE = 3,01 * 10$^{14}$ kJ = 3,01 * 10$^{17}$ JGevraagd: E in kWhInvullen:E = (3,01 * 10$^{17}$ J) / 3600000 = 8,3611111 * 10$^{10}$ ≈ 8,36 * 10$^{10}$ kWhAntwoord: Omgerekend is dit 8,36 * 10$^{10}$ kWh.c) Gegeven:Hoeveelheid duurzame energie = 3,01 * 10$^{17}$ JTotale energieverbruik = 3,096 * 10$^{18}$ JGevraagd: Percentage duurzame energieFormule = (Hoeveelheid duurzame energie / Totale energieverbruik) * 100%Invullen:((3,01 * 10$^{17}$ J)/(3,096 * 1018 J)) * 100% = 9,7222% ≈ 9,72%Antwoord: 9,72% van de totaal gebruikte energie kwam in 2020 van een duurzame energiebron. a) Gegeven:P = 2200 Wm = 1,0 kg  = 1000 g ΔT = 100 - 10 = 90 °Cc = 4,18 J/g * °CGevraagd: η = ?Formules: Q = c * m * ΔTE = P * tη = (Enuttig / Everbruikt) * 100%Invullen:Energie om water te laten kokenEerst berekenen hoeveel energie er nodig is om 1,0 kg water 90 °C te verwarmen: Q = c * m * ΔT = 4,18 * 1000 * 90 = 376200 J.Berekenen hoeveel energie de waterkoker levertDe waterkoker staat 182 seconden aan en heeft een vermogen van 2200 W. E = P * t = 2200 * 182 = 400400 J.Rendement berekenenNu bekend is hoeveel energie het kost om het water te verwarmen en hoeveel de waterkoker daadwerkelijk levert, is het mogelijk om het rendement van de waterkoker uit te rekenen:η = (Enuttig / Everbruikt) * 100% = (376200 / 400400) * 100 % ≈ 93,96 %Antwoord: Het rendement van de waterkoker is 93,96 %.b) Er lekt bij een waterkoker warmte weg. Door de waterkoker beter te isoleren, zou er minder warmte weg kunnen lekken. Hierdoor zou er in totaal minder energie nodig zijn en dus zou daarmee het rendement van de waterkoker worden verhoogd.c)  Gegeven:Rendement waterkoker = 93,96%Verbrandingswarmte aardgas= 32 MJ/m³Volume aardgas = 0,15 m³ m = 12 kg = 12000 gΔT = 60 °Cc = 4,18 J/g * °CGevraagd: η = ?Formules: Q = c * m * ΔTE = P * tη = (Enuttig / Everbruikt) * 100%Invullen:Energie om water te laten kokenEerst berekenen hoeveel energie er nodig is om 1,0 kg water 60 °C te verwarmen: Q = c * m * ΔT = 4,18 * 12000 * 60 = 3009600 J.Berekenen hoeveel energie de verbranding oplevertBij de verbranding van aardgas komt er energie vrij. Dit is:32 MJ/m³ * 0,15 m³ = 4800000 JRendement berekenenNu bekend is hoeveel energie het kost om het water te verwarmen en hoeveel de verbranding daadwerkelijk aan energie oplevert, is het mogelijk om het rendement van de CV-ketel uit te rekenen:η = (Enuttig / Everbruikt) * 100% = (3009600 / 4800000) * 100 % = 62,7 %Antwoord: Het rendement van de CV-ketel is 62,7 % en het rendement van de waterkoker is ongeveer 93,96%. De CV-ketel heeft van de twee dus het laagste rendement. De waterkoker heeft nu ongeveer hetzelfde rendement als een HR-combiketel (is ca. 90%). a) Wanneer je kijkt naar de formule voor het weglekken van warmte bij wanden, speelt het temperatuurverschil met de andere kant van de wand een rol. Een appartement heeft meestal onder en boven buren. Dit betekent dat daar dan ook ruimtes voornamelijk zijn waar het ongeveer kamertemperatuur is. Dit maakt dus het temperatuurverschil met het appartement kleiner. De temperatuurverschillen met buiten zullen dan groter zijn. Er zal dus relatief meer warmte naar buiten weglekken dan naar aangrenzende appartementen.b) Gegeven:Weglekkend vermogen = 230 W = 230 J/sVerbrandingswarmte aardgas = 32 MJ/m³Volume aardgas per dag = 1,8 m³ Gevraagd: η = ?Formules: E = P * tη = (Enuttig / Everbruikt) * 100%Invullen:Berekenen hoeveel energie de verbranding oplevertBij de verbranding van aardgas komt er energie vrij. Dit is:32 MJ/m³ * 1,8 m³ = 57600000 JWeglekkende energie per dagEr lekt per seconde 230 Joule weg. Een dag telt 60 * 60 * 24 = 86400 seconden. Er lekt per dag dus E = P * t = 230 * 86400 = 19872000 J weg.Nuttige hoeveelheid energie per dagDit betekent dat er 57600000 - 19872000 = 37728000 J per dag nuttig gebruikt wordt om het appartement te verwarmen.Rendement berekenenη = (Enuttig / Everbruikt) * 100% = (37728000  / 57600000) * 100 % = 65,5 %Antwoord: Het rendement van het appartement is 65,5%. Dit betekent dat 65,5% van alle warmte die bij de verbranding van het aardgas nuttig wordt gebruikt en het resterende percentage warmte weglekt.c) Gegeven:U wordt 80% kleinerFormule: Q = U * A * ΔTRedenatie: Wanneer U daalt met 80%, daalt Q ook met 80%. Oftewel er lekt dan nog maar één vijfde weg aan warmte ten opzichte van toen het appartement nog niet beter was geïsoleerd. Er wordt hierdoor minder energie niet-nuttig gebruikt. Hierdoor daalt de totale hoeveelheid energie die nodig is om het appartement op een bepaalde temperatuur warm te houden en zal dus het rendement stijgen.