Hoofdstuk 7: energie Basis 4

• newEditor

VMBO-B4: Hoofdstuk 7: Energie

Niemand kan zonder Energie.

Het gaat in de dit hoofdstuk over warmte en chemische energie.

B.v. Energie uit de brandstof aardgas.

Verbranding, warmte en energie

Kennen en kunnen paragraaf 7.1

• Je kunt uitleggen wat een verbranding is.

• Je kunt uitleggen wat een volledige en onvolledige verbranding is.

• Je kunt het verschil noemen tussen een snelle en een langzame verbranding.

Welke woorden passen volgens jou bij verbranding en energie?

Gebruik de inzendingen om voorkennis op te halen. Verwachte thema’s: vuur, warmte, rook, zuurstof, gas, elektriciteit, milieu.

Wat is verbranding?

Verbranding is een chemische reactie van een brandstof met zuurstof.

Daarbij ontstaan nieuwe stoffen en komt energie vrij, vooral als warmte en vaak ook licht.

Benadruk dat verbranding niet alleen vuur met vlammen hoeft te zijn; ook zonder zichtbare vlam kan een stof verbranden.

Voorwaarden voor verbranding

Voor verbranding zijn drie dingen nodig:

• brandstof

• zuurstof

• ontbrandingstemperatuur

Als één van deze ontbreekt, stopt de verbranding (= blussen)

Koppel dit eventueel aan de branddriehoek zonder die term per se groot op de slide te zetten.

Wat ontstaat er bij verbranding?

Bij verbranding van veel brandstoffen ontstaan meestal:

• koolstofdioxide (CO₂)

• water(damp)

• warmte

• rook

• as

• soms ook licht

Welke stoffen precies ontstaan, hangt af van de brandstof en de hoeveelheid zuurstof.

Verbranding in het dagelijks leven

Voorbeelden van verbranding:

• aardgas in een cv-ketel

• benzine in een automotor

• hout in een kachel

• kaarsvet in een kaars

Maak duidelijk dat verbranding vaak wordt gebruikt om warmte of beweging te krijgen.

Volledige verbranding

Bij volledige verbranding is er genoeg zuurstof.

De brandstof reageert dan zo volledig mogelijk.

Kenmerken:

• veel energieafgifte

• vorming van vooral CO₂ en water(damp)

• vaak een schone verbranding

• blauwe vlam

Onvolledige verbranding

Bij onvolledige verbranding is er te weinig zuurstof.

De brandstof verbrandt dan niet helemaal.

Daardoor kunnen ontstaan:

• koolstofmonoxide (CO)

• roet = koolstof

• minder volledige energieomzetting

• gele vlam

Benadruk dat koolstofmonoxide giftig is en moeilijk te merken, omdat het kleurloos en reukloos is.

Volledig en onvolledig vergeleken

Onvolledige verbranding

Volledige verbranding

• genoeg zuurstof

• vooral CO₂ en water(damp)

• weinig roet

• efficiëntere verbranding

• blauwe vlam

• hoogste temperatuur

• te weinig zuurstof

• koolstofmonoxide (= giftig) en roet mogelijk

• vervuilender

• vaak minder veilig

• gele vlam

• lagere temperatuur

Voorbeelden van onvolledige verbranding

Onvolledige verbranding kan optreden bij:

• slecht afgestelde kachels

• motoren met slechte verbranding

• branden in afgesloten ruimtes

• kaarsen of vuur met gele, roetende vlam

Leg uit dat een blauwe vlam meestal wijst op betere verbranding dan een gele, roetende vlam.

Welk giftig gas ontstaat er bij een onvolledige verbranding?

A

Koolstofmonoxide

B

Koolstofdioxide

C

Zuurstof

D

Waterdamp

Sluit aan op de definitie van verbranding en de voorwaarden op de vorige slides.

Maak de uitleg compleet

Bij volledige verbranding is er genoeg zuurstof. Dan ontstaan vooral CO₂ en waterdamp. Bij onvolledige verbranding kunnen ook CO en roet ontstaan.

volledige verbranding

zuurstof

waterdamp

roet

stikstof

straling

benzine

stoom

Alle kernwoorden komen letterlijk uit de behandelde vergelijking tussen volledige en onvolledige verbranding.

Demopractikum

3 soorten vlammen bij brander.

Water koken in papieren bakje.

Snelle verbranding

Bij snelle verbranding komt in korte tijd veel energie vrij.

Kenmerken:

• vaak met vlammen

• sterke warmteafgifte

• reactie verloopt snel

Voorbeelden: houtvuur, kaars, gasvlam.

Langzame verbranding

Bij langzame verbranding zie je geen vuur, maar is wel een chemische reactie met zuurstof.

Bij metalen noemen we dit ook wel oxideren of roesten.

In je lichaam is er ook een langzame verbranding. Er ontstaat door verbranding van voedsel energie om te bewegen en warm te blijven

Roesten is ook een vorm van oxidatie/verbranding, maar veel langzamer dan een brandende vlam. Houd het eenvoudig op dit niveau.

Langzaam en snel vergeleken

Langzame verbranding

• korte tijd

• vaak vlammen

• veel warmte ineens

• goed zichtbaar

Snelle verbranding

• lange tijd

• meestal geen vlammen

• energie komt langzaam vrij

• vaak minder zichtbaar

Het verschil zit in de snelheid

Bij beide soorten reageert een stof met zuurstof.

Het belangrijkste verschil is hoe snel de reactie verloopt en hoe snel warmte vrijkomt.

Maak hier de koppeling terug naar de definitie van verbranding: dezelfde basisreactie, ander tempo.

Opdracht

Maken vraag 1 t/m 31

Kennen en kunnen paragraaf 7.2

• Je kunt uitleggen hoe een huis wordt verwarmd

• Je kunt uitleggen wat warmtetransport door geleiding, stroming en straling is.

• Je kunt uitleggen wat isoleren is.

Hoe wordt een huis verwarmd?

In veel huizen zorgt een cv-ketel voor verwarming.

Daarin verbrandt vaak aardgas.

De warmte die vrijkomt, verwarmt water dat door leidingen en radiatoren stroomt.

Van brandstof naar warme kamer

Aardgas verbrandt → water in de ketel wordt warm → warm water stroomt naar radiatoren → radiatoren geven warmte af aan de kamer.

Als gewenst kun je kort noemen dat ook warmtepompen bestaan, maar de kern hier is verwarming via verbranding en warmtetransport.

Rol van radiatoren

Radiatoren geven warmte af aan de lucht en aan voorwerpen in de kamer.

Daardoor stijgt de temperatuur in huis en voelt de ruimte comfortabeler.

Niet alle warmte blijft binnen

Een deel van de warmte gaat verloren via:

• ramen

• muren

• dak

• vloer

• naden en kieren

Daarom is goed isoleren belangrijk.

Dit vormt de brug naar warmtetransport en isolatie.

Wat gebeurt er direct na verbranding van aardgas in een cv-ketel?

A

De radiator koelt af

B

Water wordt warm

C

Stroom wordt gemaakt

D

Lucht wordt ijs

Volgt de energieketen op de slides over huisverwarming.

Waarom is er een expansievat nodig bij de CV-installatitie?

A

Voor het afgekoelde water

B

Voor het krimpen en uitzetten van water

C

Voor de voorraad van zuurstof

D

voor de opslag van aardgas

Volgt de energieketen op de slides over huisverwarming.

Wat is warmtetransport?

Warmtetransport is het verplaatsen van warmte van een warmere plek naar een koudere plek.

Dat gebeurt op drie manieren:

• geleiding

• stroming

• straling

Benadruk dat warmte vanzelf van warm naar koud gaat, niet andersom.

Geleiding

Bij geleiding verplaatst warmte zich door een stof heen.

Dat gebeurt vooral goed in metalen. We noemen ze daarom een geleider.

Een stof die niet goed geleidt, heet een isolator.

Voorbeeld geleider: metalen lepel

Voorbeeld isolator: ovenwant

Stroming

Bij stroming wordt warmte meegenomen door een bewegende vloeistof of gas.

Voorbeeld:

• warme lucht bij een radiator stijgt op

• koudere lucht in een kamer zakt naar beneden

Noem eventueel het woord convectie als verrijking, maar houd stroming als hoofdterm aan.

Straling

Bij straling verplaatst warmte zich zonder direct contact.

Voorbeelden:

• warmte van de zon

• warmte die je voelt bij een kampvuur

Maak duidelijk dat er bij straling geen stof nodig is tussen bron en ontvanger.

Drie vormen van warmtetransport

Voorbeelden

• geleiding: door een stof

• stroming: door bewegende lucht of vloeistof

• straling: via warmtestralen

Hoe werkt het?

• pan op fornuis

• lucht rond radiator

• zon die de aarde verwarmt

Wat is isoleren?

Isoleren betekent dat je warmtetransport probeert te verminderen.

Zo blijft warmte langer binnen en is minder energie nodig om een huis warm te houden.

Hoe helpt isolatie?

Isolatiematerialen laten warmte minder makkelijk door.

Ze verminderen warmteverlies via:

• geleiding

• stroming

• soms ook straling

Leg uit dat stilstaande lucht in isolatiemateriaal vaak een belangrijke rol speelt.

Voorbeelden van isolatie in huis

Veelgebruikte manieren om te isoleren:

• dubbel glas

• dakisolatie

• spouwmuurisolatie

• vloerisolatie

• tochtstrips

Waarom isoleren belangrijk is

Goed isoleren zorgt voor:

• minder warmteverlies

• lager energieverbruik

• lagere kosten

• meer comfort in huis

• minder uitstoot door verwarming

Verbind hier isolatie aan het grotere thema van fossiele brandstoffen en klimaat.

Hoe heet warmtetransport door bewegende lucht?

A

Straling

B

Geleiding

C

Verdamping

D

Stroming

De afleiders zijn natuurkundige termen die leerlingen vaak verwarren.

Vul de drie vormen aan

Warmte gaat van een warmere plek naar een koudere plek. Bij geleiding gaat warmte door een stof heen. Bij stroming wordt warmte meegenomen door bewegende lucht of vloeistof. Bij straling is direct contact niet nodig. Isoleren betekent dat je dit warmtetransport probeert te verminderen.

geleiding

stroming

straling

Isoleren

verbranding

generator

turbine

broeikasgas

Herhaalt de kernbegrippen van warmtetransport en isolatie in één samenhangend tekstje.

De aarde warmt op

Op aarde wordt het gemiddeld warmer.

Dat noemen we opwarming van de aarde.

Een belangrijke oorzaak is de toename van broeikasgassen in de atmosfeer.

Houd het natuurkundig: focus op stralingsbalans en broeikasgassen, niet op politiek of beleid.

Practikumles

Stroming door lucht

Stroming door vloeistof = kookraam

Geleiding door verschillende vaste stoffen

Straling met warmtelamp

Practicumles

Isolatieblikken

Opdracht

Leren en maken paragraaf 7.2

Kennen en kunnen paragraaf 7.3

• Je kunt uitleggen waarom het op aarde steeds warmer wordt.

• Je kunt het ontstaan van schadelijke stoffen bij de verbranding van brandstoffen uitleggen.

• Je kunt nadelen noemen bij het gebruik van fossiele brandstoffen.

Fossiele brandstoffen

Fossiele brandstoffen zijn onder andere:

• aardgas

• aardolie

• steenkool

Ze worden veel gebruikt voor verwarming, vervoer en elektriciteitsopwekking.

De rol van CO₂

Bij het verbranden van fossiele brandstoffen komt CO₂ vrij.

CO₂ is een broeikasgas.

Meer CO₂ in de atmosfeer zorgt ervoor dat warmte minder makkelijk van de aarde ontsnapt.

Vermijd absolute formuleringen als 'CO₂ is slecht'; leg uit dat het om een versterkt broeikaseffect gaat door extra CO₂.

Versterkt broeikaseffect

Zonlicht komt op aarde → de aarde warmt op → de aarde straalt warmte uit → broeikasgassen houden een deel van die warmte vast.

Bij extra broeikasgassen blijft meer warmte hangen.

Gevolgen van opwarming

Mogelijke gevolgen zijn:

• hogere gemiddelde temperatuur

• vaker extreem weer

• smelten van ijs

• stijgende zeespiegel

• verandering van leefgebieden

Noem dit als voorbeelden van gevolgen; ga niet te diep, want de les blijft draaien om energie, verbranding en warmte.

Schadelijke stoffen bij verbranding

Bij verbranding van brandstoffen kunnen schadelijke stoffen ontstaan, zoals:

• koolstofmonoxide (CO) --> reukloos, onzichtbaar, giftig

• stikstofoxiden --> veroorzaken zure regen

• roet/fijnstof --> schadelijk voor luchtwegen

• koolstofdioxide (CO₂) --> versterkt broeikaseffect

Maak onderscheid tussen direct schadelijk voor gezondheid/luchtkwaliteit (CO, roet, stikstofoxiden) en schadelijk voor klimaat (CO₂).

Nadelen van fossiele brandstoffen

Belangrijke nadelen zijn:

• uitstoot van CO₂

• luchtvervuiling

• ontstaan van schadelijke stoffen

• eindige voorraad

• bijdrage aan opwarming van de aarde

Waarom zijn ze een probleem?

Fossiele brandstoffen leveren veel energie, maar veroorzaken ook milieuschade.

Daarom wordt gezocht naar manieren om minder afhankelijk van deze brandstoffen te zijn.

Gebruik dit als overgang naar elektriciteitsopwekking en duurzame energie.

Nog meer nadelen van gebruik van fossiele brandstoffen

Aardgas komt uit de bodem en kan aardschokken veroorzaken (Groningen)

Elektriciteitscentrales gebruik en ook veel water voor de koeling. Het opgewarmde water zorgt bij lozing in rivier voor verhoogde temperatuur. We noemen dat thermische verontreiniging.

Welk gas versterkt vooral het broeikaseffect?

A

Zuurstof

B

Waterstof

C

Koolstofdioxide

D

Stikstof

Sluit aan op de slides over opwarming van de aarde en de rol van CO₂.

Maak het verband compleet

Bij onvolledige verbranding is er te weinig zuurstof. Daardoor kunnen koolstofmonoxide en roet ontstaan. Fossiele brandstoffen hebben ook nadelen, zoals extra CO₂ in de atmosfeer.

onvolledige verbranding

koolstofmonoxide

roet

CO₂

waterdamp

zonlicht

isolatie

generator

Verbindt zuurstoftekort, schadelijke stoffen en de nadelen van fossiele brandstoffen.

Kennen en kunnen paragraaf 7.4

• Je kunt uitleggen hoe je elektrische energie opwekt.

• Je kunt uitleggen hoe je duurzaam elektrische energie opwekt.

• Je kunt uitleggen wat het rendement van een lamp of apparaat is.

Hoe wordt elektrische energie opgewekt?

Elektrische energie wordt vaak opgewekt in een energiecentrale.

Daar wordt andere energie omgezet in elektrische energie.

Laat leerlingen zien dat 'elektriciteit maken' eigenlijk energie omzetten is.

Opwekking in een centrale

Brandstof verbrandt → water wordt stoom → stoom laat een turbine draaien → turbine drijft een generator aan → generator wekt elektrische energie op.

Benadruk de energieketen: chemische energie → warmte → beweging → elektrische energie.

Generator en turbine

De turbine gaat draaien door stromende stoom of water.

De generator zet die beweging om in elektrische energie.

Hoe wordt duurzame energie opgewekt?

Bij duurzame energie wordt gebruikgemaakt van bronnen die steeds opnieuw beschikbaar zijn.

Voorbeelden zijn zon, wind en stromend water.

Voorbeelden van duurzame opwekking

Bron

• zonlicht

• 
  

• wind

• 
  

• waterkracht

• 
  

• Biomassa

Omzetting

• zonnepaneel: stralingsenergie → elektrische energie

• windturbine → schoepenrad --> elektrische energie

• waterkrachtcentrale → schoepenrad --> elektrische energie

• biomassa: uit afval ontstaat gas door verrotting of verbranding

Verschil met fossiele opwekking

Bij duurzame energie is verbranding vaak niet nodig.

Daardoor komen er tijdens het opwekken meestal minder schadelijke stoffen en minder CO₂ vrij.

Zeg 'tijdens het opwekken', zodat de formulering natuurkundig en precies blijft.

Wat is rendement?

Het rendement geeft aan welk deel van de opgenomen energie nuttig wordt gebruikt.

Hoe hoger het rendement, hoe minder energie verloren gaat.

Rendement van een lamp

Bij een lamp is licht de nuttige energie.

Een deel van de elektrische energie wordt licht, maar een ander deel wordt warmte.

Meer licht en minder warmteverlies betekent een hoger rendement.

Je kunt hier kort het verschil noemen tussen gloeilamp en ledlamp, zonder exacte percentages te hoeven geven.

Rendement van apparaten

Ook bij andere apparaten geldt:

• nuttige energie is het gewenste effect

• de rest is energieverlies, vaak als warmte

Een zuinig apparaat heeft meestal een hoger rendement.

Waarom rendement belangrijk is

Een hoger rendement betekent:

• minder energieverspilling

• lagere energiekosten

• minder brandstofverbruik

• minder uitstoot bij opwekking

Leg de koppeling met de hele les: efficiënter omgaan met energie verkleint de nadelen van verbranding en fossiele brandstoffen.

Niet zonder energieverlies

Ook bij elektriciteitsopwekking gaat ook energie verloren, vooral als warmte.

Daarom wordt niet alle energie uit de brandstof omgezet in elektrische energie.

Dit bereidt het begrip rendement voor.

Wat zet beweging om in elektrische energie?

A

Radiator

B

Generator

C

Ketel

D

Turbine

Veel leerlingen halen turbine en generator door elkaar; de turbine draait, de generator wekt stroom op.

Van bron naar nuttige energie

In een centrale laat stoom een turbine draaien. Die drijft een generator aan, die elektrische energie opwekt. Bij een lamp is licht de nuttige energie. Hoe hoger het rendement, hoe minder energie verloren gaat.

turbine

generator

licht

rendement

radiator

roet

warmtebron

isolatie

Combineert de laatste twee subthema’s: opwekking van elektriciteit en rendement.

Begrippenlijst

verbranding - chemische reactie van een brandstof met zuurstof waarbij energie vrijkomt

brandstof - stof die kan verbranden

zuurstof - gas dat nodig is voor verbranding

ontbrandingstemperatuur - temperatuur waarbij een stof gaat branden

volledige verbranding - verbranding met genoeg zuurstof

onvolledige verbranding - verbranding met te weinig zuurstof

warmtetransport - verplaatsing van warmte van warm naar koud

Begrippenlijst

geleiding - warmtetransport door een stof heen

stroming - warmtetransport door bewegende lucht of vloeistof

straling - warmtetransport zonder direct contact

isoleren - warmtetransport verminderen

broeikasgas - gas dat warmte in de atmosfeer vasthoudt

fossiele brandstoffen - brandstoffen zoals aardgas, aardolie en steenkool

rendement - deel van de energie dat nuttig wordt gebruikt