Leerdoelen
•Je kunt de wet van behoud van energie uitleggen en toepassen.
•Je kunt berekeningen uitvoeren met het rendement van energieomzettingen.
•Je kunt een energieomzetting analyseren.
•Je kunt de volgende formules toepassen:
De wet van behoud van energie: energie verdwijnt nooit
Energie is overal om ons heen en in constante beweging. Maar energie verdwijnt nooit echt. Dit is de kern van de wet van behoud van energie. Deze wet stelt dat in een gesloten systeem de totale hoeveelheid energie altijd hetzelfde blijft. Energie kan wel van vorm veranderen (bijvoorbeeld van chemische energie naar bewegingsenergie), maar de totale hoeveelheid blijft constant.
Dit kunnen we uitdrukken met de volgende energiebalans:
Arbeid en kinetische energie
De wet van behoud van energie zien we ook terug in de relatie tussen arbeid en kinetische energie. Energie is nodig om arbeid te verrichten. Arbeid (W) wordt gedefinieerd als kracht keer afstand:
Rendement: hoe efficiënt is jouw energieomzetting?
In de praktijk gaat er bij energieomzettingen altijd wat energie verloren, meestal in de vorm van warmte. Het rendement (symbool: η, de Griekse letter èta) geeft aan hoe efficiënt een energieomzetting is. Het is de verhouding tussen de nuttig gebruikte energie en de totale ingevoerde energie. Rendement kun je uitrekenen met behulp van energie of vermogen:
Waarbij
Energiestroomdiagrammen
Rendement wordt vaak visueel weergegeven met een energiestroomdiagram. Dit diagram laat zien hoe energie een systeem binnenkomt en hoe het wordt verdeeld over nuttige energie en verloren energie. De breedte van de pijlen in het diagram geeft de hoeveelheid energie weer.
Bijvoorbeeld, in een racewagen gaat 100% brandstofenergie in. Stel dat 60% nuttig wordt gebruikt om de wielen aan te drijven en de auto vooruit te laten gaan, dan gaat 40% verloren, bijvoorbeeld als warmte in de motor. Aan de breedte van de pijlen zie je direct of het rendement hoog of laag is.
Energie in het verkeer
De concepten van rendement en energiebalans zijn essentieel voor het begrijpen van energieverbruik in het verkeer. De nuttige energie die door voertuigen wordt gebruikt, is eigenlijk de nuttige arbeid die de motor verricht. Dit kan worden uitgedrukt als:
Het vermogen van de motor (
Deze formule kan worden afgeleid door de arbeid van de motor te delen door de tijd (
Energie besparen in het verkeer
Het verbeteren van het rendement van voertuigen leidt tot energiebesparing. Dit kan op verschillende manieren:
•Zuinigere motor: motoren ontwikkelen die minder energie verspillen.
•Verbeterde stroomlijn: het voertuig aerodynamischer maken om de luchtweerstand te verminderen.
•Verkleinen van het frontale oppervlak: een kleiner oppervlak dat tegen de rijwind indrukt, vermindert de luchtweerstand.
•Verlagen van de rolweerstand: gebruik van banden met minder wrijving.
•Minimaliseren van energieverbruik door rijgedrag: denk aan het gebruik van cruisecontrol voor een constante snelheid, wat zorgt voor een efficiënter brandstofverbruik dan constant versnellen en afremmen.
Rekenvoorbeelden
Voorbeeld 1: Arbeid van de motor van een vrachtwagen
Een vrachtwagen rijdt met een snelheid van 50 km/h en de chauffeur trapt op het gaspedaal, waardoor de snelheid toeneemt tot 100 km/h. De afgelegde afstand is 450 meter. Tijdens het optrekken is de gemiddelde wrijvingskracht
Oplossing:
Deze vraag gaat over krachten en arbeid, gecombineerd met een verandering in snelheid (kinetische energie). We gebruiken hier de wet van arbeid en kinetische energie:
Dus:
Nu vullen we de formules en gegevens in. Vergeet niet de snelheden om te rekenen naar m/s (delen door 3,6)! eind begin
•
•
•
•
•
De arbeid die de motor heeft verricht is ongeveer
Voorbeeld 2: Benzineverbruik van de vrachtwagen
De arbeid die de motor moest verrichten was
Oplossing:
We gebruiken de formule voor rendement:
We zoeken de totale energie (
Dit is de chemische energie die uit de benzine moet komen. Om het volume benzine te berekenen, gebruiken we de stookwaarde van benzine. Deze vind je in Binas tabel 28B:
De vraag is hoeveel milliliter benzine nodig is. We moeten
Er is dus ongeveer
