Eduqaleeromgeving
Leeromgeving Natuurkunde · 5 vwo H6 Arbeid en energie
0%
Leeromgeving›Natuurkunde›5 vwo›H6 Arbeid en energie›6.4
Hoofdstuk 6 · Les 7 van 9

Energie door verbranding

Wielrenners halen hun energie uit voedsel, auto’s uit benzine of diesel, centrales uit kolen of gas. In al die gevallen wordt chemische energie door verbranding omgezet. Hoeveel energie er vrijkomt, bereken je met de stookwaarde of de voedingswaarde.

20 min

Na deze les kun je

  • de kenmerken van verbranding noemen
  • chemische energie berekenen met de stookwaarde uit Binas
  • rekenen met voedingswaarde in kJ en kcal
  • uitleggen waar de energie van een automotor en van je lichaam naartoe gaat
  • het brandstofverbruik van een auto berekenen

Dit weet je al

Arbeid tegen de weerstand (les 6.1a) en energie-stroomdiagrammen (les 6.2a).

Verbranding

Door verbranding van chemische energie kun je arbeid verrichten en je lichaamstemperatuur op peil houden. Ook kolen- en gascentrales en verbrandingsmotoren gebruiken verbranding. Al die verbrandingsprocessen hebben gemeen:

  • er verbrandt een organische stof, een koolwaterstofverbinding;
  • er is zuurstof (O₂) nodig;
  • er komen koolstofdioxide (CO₂) en water (H₂O) vrij;
  • er komt warmte vrij.

Planten zetten CO₂ en H₂O met stralingsenergie van de zon weer om in organische stoffen en zuurstof: fotosynthese. De wereldwijde uitstoot van CO₂ is inmiddels zo groot dat planten het niet meer kunnen opnemen. Omdat CO₂ een broeikasgas is, warmt de aardatmosfeer op. Daarom wordt gezocht naar alternatieven voor fossiele brandstoffen.

Stookwaarde

De stookwaarde geeft aan hoeveel warmte vrijkomt bij het verbranden van 1 kg of 1 m³ brandstof. Je vindt stookwaarden in Binas tabel 28B. Bij vaste stoffen zoals kolen en hout staat de stookwaarde per kilogram; bij vloeistoffen en gassen zoals olie en aardgas per kubieke meter. Daarom zijn er twee formules:

Ech = rm · mBinasvaste stoffen; rm in J/kg, m in kg
Ech = rV · VBinasvloeistoffen en gassen; rV in J/m³, V in m³

Let op: 1 L = 0,001 m³.

Voedingswaarde

Ook bij de verbranding van voedsel, in je lichaamscellen, komt warmte vrij. Dan spreek je van voedingswaarde. Die wordt nog vaak in calorie uitgedrukt, een oude eenheid. Volgens Binas tabel 5 geldt 1 cal = 4,184 J, dus 1 kcal = 4,184 kJ.

Voedsel bevat drie soorten voedingsstoffen:

VoedingsstofVoedingswaardeWat doet je lichaam ermee?
Eiwitten4 kcal/g = 17 kJ/gSpierweefsel opbouwen; bij een energietekort verbrand je spierweefsel.
Koolhydraten4 kcal/g = 17 kJ/gMakkelijk te verbranden (brood, rijst, pasta).
Vetten9 kcal/g = 38 kJ/gVeel energie, maar minder makkelijk af te breken.
✎Voorbeeld: diesel en zonnebloemolie

Vergelijk de chemische energie van 1,0 L gasolie (diesel) met die van 1,0 L zonnebloemolie.

  1. Gasolie, Binas tabel 28B: rV = 36·109 J/m³. Ech = 36·109 × 0,0010 = 36 MJ.
  2. Zonnebloemolie: 900 kcal per 100 g, dus 900 × 4,184 kJ = 3,766 MJ per 100 g.
  3. De dichtheid is 920 kg/m³, dus 1 L heeft een massa van 0,92 kg = 920 g.
  4. E = 920/100 × 3,766 MJ = 34,6 MJ: iets minder dan 1 L gasolie.

Verbranding in een automotor

Een dieselauto gebruikt ongeveer 4,0 L diesel per 100 km, dus 0,040 × 36 MJ = 1,4 MJ per km. Door de verbranding in de motor ontstaan gassen die de zuigers bewegen; zo verricht de motor arbeid. Ongeveer 30% van de chemische energie wordt mechanische energie, 70% wordt als ongewenste warmte afgevoerd.

Op een vlakke weg wordt de chemische energie omgezet in:

  • kinetische energie bij het optrekken. Rijdt de auto eenmaal, dan is die niet meer nodig; daarom kost stadsverkeer met veel optrekken veel energie.
  • warmte. Bij constante snelheid blijft de kinetische energie gelijk, maar de motorkracht moet wél arbeid verrichten om de weerstandskrachten te overwinnen. Dat deel van de warmte is hier de nuttige energie.
Energie-stroomdiagram auto met constante snelheidGebruikte energie gaat het blok in; arbeid om wrijving te overwinnen en ongewenste energie komen eruit.Einauto metconstantesnelheidW om wrijving te overwinnenEongew
Bij constante snelheid gaat de nuttige energie naar arbeid tegen de weerstand; de rest is ongewenste warmte.

De luchtweerstand hangt af van de snelheid. Daarvoor geldt: Fw,lucht = k · v2, met k een constante die van de auto afhangt. De rolweerstand hangt niet van de snelheid af.

✎Voorbeeld: brandstofverbruik bij 80 en 120 km/h

Een benzineauto zet 24% van de chemische energie om in mechanische energie. Bij 80 km/h verbruikt hij 4,5 L per 100 km; de rolweerstand is 125 N. Benzine levert 33 MJ per liter.

a. Luchtweerstand bij 80 km/h (reken per km):

  1. Per km: 0,045 L, dus Ech = 33·106 × 0,045 = 1,485·106 J.
  2. Mechanisch: 0,24 × 1,485·106 = 0,356·106 J. Die wordt gebruikt om de totale weerstand te overwinnen.
  3. Ww = Fw,tot · s: 0,356·106 = Fw,tot × 1000, dus Fw,tot = 356 N.
  4. Fw,lucht = 356 − 125 = 231 N.

b. Verbruik bij 120 km/h:

  1. 120 km/h is 1,5 keer zo snel, dus de luchtweerstand wordt 1,5² = 2,25 keer zo groot: 2,25 × 231 = 520 N.
  2. Totale weerstand: 520 + 125 = 645 N. Arbeid over 100 km: 645 × 105 Nm.
  3. Chemische energie: 645·105 / 0,24 = 2688·105 J.
  4. Liters: 2688·105 / 33·106 = 8,1 L per 100 km.

Verbranding door het menselijk lichaam

Je lichaam gebruikt ongeveer 20% van de chemische energie uit voedsel om arbeid te verrichten: om te bewegen (Ek), de trap op te lopen (Ez) of weerstand te overwinnen (Ww). De rest wordt warmte. Anders dan bij een auto heb je die warmte echt nodig, om je lichaamstemperatuur op 37 °C te houden.

Hoeveel energie een maaltijd levert, reken je uit door de voedingsstoffen op te tellen. Een boterham met margarine en kaas komt zo bijvoorbeeld op 798 kJ.

Even controleren

Snap je het?

Welke formule gebruik je voor de chemische energie van aardgas, en welke voor hout?

Een reep bevat 250 kcal. Hoeveel kJ is dat?

Waarom heeft een auto die met constante snelheid rijdt toch brandstof nodig?

↗Hoe hangt dit samen?

Welk deel van de energie nuttig is, heet het rendement. Daarover gaat les 6.5a.

Klaar met deze les? Zet hem op gelezen; je voortgang staat rechtsboven.