2. Brandstoffen verbranden

• Natuurkunde
• Middelbare school
• mavo
• Leerjaar 3

2. Brandstoffen

Ga rustig zitten op je plek

Pak je boek en pen op tafel, laat de iPad dicht

Vorige lessen:

Geleerd dat een elektrische warmtebron de elektrische energie E volledig omzet in warmte Q.

Daarbij kennen we de formule:

Q = E = P x t

Vandaag kijken we naar brandstoffen die warmte leveren.

Dit gaan we leren:

Je kan berekening doen met de verbrandingswarmte van een stof.

Je kan het reactieschema van aardgas noteren.

Je kan uitleggen wat onvolledige verbranding is, en waarom het gevaarlijk is.

Energie die in een stof is opgeslagen heet chemische energie. Door een stof te verbranden kan je die energie omzetten in warmte-energie.

Niet elke brandstof heeft evenveel opgeslagen energie, dus niet alles geeft evenveel warmte af.

De verbrandingswarmte van een stof geeft aan hoeveel warmte er vrijkomt per hoeveelheid stof (in kilogram, liter, of kubieke meter).

Voorbeeld:

Voor elke kilogram hout die je verbrandt, krijg je 16 Megajoule aan warmte-energie.

Een huishouden verbruikt per maand 3.000 MJ aan warmte. Bereken:

a. Hoeveel kilogram hout je daarvoor moet verbranden

b. Hoeveel liter benzine

c. Hoeveel kubieke meter aardgas

Uitwerking

1 kilogram hout geeft 16 MJ warmte.

Je wil weten hoeveel keer 16 MJ nodig is om tot 3.000 MJ te komen.

3.000 MJ / 16 MJ = 188 (afgerond)

Je hebt 187,5 kg hout nodig.

Benzine: 3.000 / 33 = 91 liter

Aardgas: 3.000 / 32 = 94 m3

Raketten gebruiken speciale brandstoffen met een heel hoge verbrandingswarmte zoals vloeibare waterstof.

Vloeibare waterstof heeft een verbrandingswarmte van ongeveer 120 MJ/kg.

Oefenopdracht

Stel dat Artemis ongeveer 30.000 kg aan vloeibare waterstof gebruikt met een verbrandingswarmte van 120 MJ/kg.

a. Hoeveel energie komt er vrij bij die verbranding?

b. Hoeveel benzine zou je moeten gebruiken om hetzelfde effect te behalen?

Uitwerking

30.000 kg vloeibare waterstof, 120 MJ/kg.

a. Er komt 30.000 x 120 = 3.600.000 MJ aan warmte-energie vrij. Dat is 3,6 Tera-Joule.

b. 3.600.000 MJ / 33 MJ (warmte per liter) = 109.091 liter benzine.

Dat is ongeveer 76.000 kg.

Aan de slag

Zelf maken: paragraaf 6.2, opdracht 4.

Hoe? In je (online) boek.

Met wie? Je mag rustig overleggen met je buur.

Hoe lang? 5 minuten, dan samen bespreken.

Klaar? Maak ook opdracht 6.

Uitwerking

Hoeveel warmte komt vrij als je 4 kg hout verbrandt?

Massa: 4 kg

Verbrandingswarmte: 16 MJ per kg.

Totale warmte: 16 MJ x 4 kg = 64 MJ.

Uitwerking

Hoeveel warmte komt vrij als je 5 L benzine verbrandt?

Volume: 5 L

Verbrandingswarmte: 33 MJ per L.

Totale warmte: 33 MJ x 5 L = 165 MJ.

Uitwerking

Hoeveel warmte komt vrij als je 15 m3 aardgas verbrandt?

Volume: 15 m3

Verbrandingswarmte: 32 MJ per m3.

Totale warmte: 32 MJ x 15 m3 = 480 MJ.

Uit proeven blijkt dat er voor vijf minuten douchen met een waterbesparende douchekop ongeveer 3 MJ warmte nodig is.

Hoeveel m3 aardgas moet daarvoor worden verbrand?

De verbrandingswarmte van aardgas is 32 MJ/m3.

Uitwerking

Je weet dat 1 kubieke meter 32 MJ levert. Je wil weten hoeveel je nodig hebt voor 3 MJ.

In een verhoudingstabel: reken eerst uit hoeveel kubieke meter 1 MJ levert, en reken dan uit hoeveel kubieke meter je nodig hebt voor 3 MJ.

Aardgas wordt in veel huishoudens gebruikt voor verwarming.

Aardgas is een mengsel van methaan en stikstof. Als je zuurstof toevoegt en het gas aansteekt, verbrandt de methaan.

Het reactieschema:

methaan + zuurstof → koolstofdioxide + water

Gevaar:

Het reactieschema

methaan + zuurstof → koolstofdioxide + water

klopt alleen bij een volledige verbranding.

Als er niet genoeg zuurstof is om alle methaan te verbranden, krijg je een onvolledige verbranding. Er ontstaat dan koolstofmono-oxide (CO), een reukloos en heel giftig gas.

Dit weten we nu:

Dat elke stof zijn eigen verbrandingswarmte heeft (hoeveel warmte het levert per kg/L/m3).

Hoe we daarmee kunnen rekenen.

Waarom onvolledige verbranding van aardgas gevaarlijk is.

Rekenen voor jou goed te doen? Maak: 6.2, opdracht 1 t/m 6 en als extra: 12.

Rekenen voor jou lastig? Meedoen met oefening en daarna paragraaf 6.2, opdracht 1 t/m 6.

Nog wat rekenoefening

1. Een dompelaar van 500 W verwarmt een glas water gedurende 1 minuut. Hoeveel warmte heeft de dompelaar afgegeven aan het water?

2. Een waterkoker van 2500 W voegt 225 kJ (kilojoule) warmte toe aan het water. Hoe lang heeft de waterkoker aan gestaan?

3. Steenkool heeft een verbrandingswarmte van 29 MJ/kg. Hoeveel steenkool heb je nodig om 5 MJ aan warmte te krijgen?

Uitwerkingen

1. Een dompelaar van 500 W verwarmt een glas water gedurende 1 minuut. Hoeveel warmte heeft de dompelaar afgegeven aan het water?

 Gegeven: Vermogen P = 500 W, Tijd t = 1 minuut = 60 seconden. Formule: Q = E = P x t.

Q = 500 W x 60 sec = 30.000 J (dus 30 kJ)

2. Een waterkoker van 2500 W voegt 225 kJ (kilojoule) warmte toe aan het water. Hoe lang heeft de waterkoker aan gestaan?

Gegeven: Vermogen P = 2500 W, warmte Q = 225 kJ = 225.000 J. Formule: t = Q / P

t = 225.000 J / 2500 W = 90 seconden (1,5 minuut)

3. Steenkool heeft een verbrandingswarmte van 29 MJ/kg. Hoeveel steenkool heb je nodig om 5 MJ aan warmte te krijgen? 1 MJ wordt geleverd door 0,034 kg, 5 MJ door 0,17 kg.

Aan de slag

Maak: paragraaf 6.2, opdrachten 1 t/m 6 (+ 12 voor sommigen)

Hoe: in je boek. Gebruik de theorie bij het maken van de vragen.

Met wie: je mag rustig overleggen met je buur.

Hoe lang: tot einde les.

Klaar? Maak in je online boek de opgaven Test jezelf bij paragraaf 6.2.