Les over 8.4 Rendement en vermogen

Leerdoelen

•Je kunt met de wet van arbeid en kinetische energie en met de wet van behoud van energie in situaties met verschillende energievormen berekeningen maken en redeneren.

•Je kunt met de formules voor rendement en vermogen berekeningen maken en redeneren.

Chemische energie en de wet van behoud van energie

Bij de verbranding van voedingsstoffen in het lichaam of van brandstoffen in een motor komt chemische energie () vrij. De hoeveelheid chemische energie die vrijkomt bij verbranding bereken je met de stookwaarde van de betreffende brandstof:

•Voor vloeistoffen of gassen per volume-eenheid:

•Voor vaste stoffen per massa-eenheid:

Hierin is de chemische energie in joule (J), de stookwaarde in , het volume in , de stookwaarde in en de massa in kg. Wanneer je spierkracht levert, wordt chemische energie omgezet. Een deel van deze geïnvesteerde energie () wordt nuttig gebruikt om arbeid te verrichten, wat we de nuttige energie () noemen. Het overige deel verandert in warmte (). Volgens de wet van behoud van energie geldt voor elke energieomzetting: .

Het rendement van een energieomzetting

Geen enkel apparaat of biologisch systeem zet alle toegevoerde energie volledig om in nuttige arbeid. Het rendement () geeft de verhouding aan tussen de nuttig gebruikte energie en de totale geïnvesteerde energie. De formule voor het rendement is: . Voor apparaten of spieren die arbeid verrichten, geldt voor de nuttige energie dat deze gelijk is aan de verrichte arbeid: , waarin de geleverde kracht in newton (N) is en de verplaatsing in meter (m). Het rendement van energieomzetting in menselijke spieren bedraagt bijvoorbeeld ongeveer 25%.

Nuttig en geïnvesteerd vermogen

Het vermogen geeft aan hoeveel energie per seconde wordt omgezet of verricht:

•Geïnvesteerd vermogen (): de hoeveelheid energie die per seconde aan een apparaat moet worden toegevoerd om het te laten werken: .

•Nuttig vermogen (): de hoeveelheid nuttige energie of arbeid die per seconde wordt geleverd: .

Wanneer een object beweegt met een constante snelheid onder invloed van een kracht , kun je het nuttig vermogen afleiden:

1.Uit de formule voor arbeid volgt: .

2.Omdat voor een eenparige beweging geldt dat , wordt de formule: .

Hierin is het nuttige vermogen in watt (W), de kracht in newton (N) en de snelheid in .

Elektrische energie en stralingsenergie

Bij elektrische apparaten zoals elektromotoren is het geïnvesteerde vermogen vaak het elektrisch vermogen. Als dit vermogen niet direct bekend is, kun je het berekenen met de spanning over en de stroomsterkte door het apparaat: . Het rendement kan daarom ook worden uitgedrukt in vermogen: . Bij een zonnecel wordt stralingsenergie van de zon omgezet in elektrische energie. Het rendement van een zonnepaneel ligt rond de 20%. De hoeveelheid opgevangen stralingsenergie hangt af van het oppervlak van het paneel en het vermogen van de zonnestraling. Het maximale vermogen dat een zonnepaneel kan leveren onder standaardomstandigheden (volle zon en loodrechte inval) noem je het piekvermogen, uitgedrukt in wattpiek (Wp).