energie

dag sandra,

Ik geef zelf les op vmbo, meestal houden we onze opdrachten nogal \"gesloten\" om te voorkomen dat de kinders helemaal gaan dwalen. In de hoop dat dat hier ook zo is, kun je de letterlijke opdracht hier uittypen, of in een afbeeldingsbestand of -bestanden van minder dan 200 kB per stuk  als bijlage uploaden? Met wat je hier schrijft kunnen we nogal veel kanten op, ook de verkeerde kanten....

Groet, Jan

Hallo Jan,

Ze heeft 4 documenten die bij de opdracht horen. Dit zijn word en pdf documenten, kan ze hier helaas niet bijvoegen. Is er nog een andere mogelijkheid om de documenten naar u te mailen?

Groet Sandra

Ik kan als moderator aan de achterzijde van de site bij je mailadres (wees gerust, anderen kunnen dat niet).

Ik heb je een mail gestuurd, dan kun je me die documenten mailen.

Groet, Jan

Ik heb de opdracht gezien en die geeft een heleboel \"breedte\".

1. Wat is mijn onderzoeksvraag?
2. Hoe zit mijn werkplan eruit?
3. Welke waarnemingen heb ik gedaan?
4. Hoe ga ik mijn waarnemingen verwerken?
5. wat zijn mijn conclusies?

Hallo Jan,

Heel erg bedankt voor je mail. Ik heb 1 ding vergeten te zeggen, de opdracht moet 2 juni ingeleverd worden en niet al 20 mei dus ze heeft nog even de tijd. Het idee vind ik erg leuk van de zonne energie alleen moet zij eerst haar werkplasn aan de docent laten zien voordat ze met proef echt gaat beginnen. Dit kan ze volgende week pas doen en dan is natuurlijk de vraag of we nog zon hebben.

Zij heeft tot nu toe de volgende formules gehad:

Rendement=nuttig gebruikte energie(of vermogene):totaal opgenomen energie (of vermogen)X100% Zwaarte-energie=massaxgraviditeitxhoogte                                                                                     Vermogen=energie:tijd                                                                                                                Energie=spanningxstroomsterktextijd                                                                                              Vermogen=spanningxstroomsterkte                                                                                              Energieverbruik=vermogenxtijd

Voor mij is uit de beschrijving nog niet zo duidelijk hoe zij met behulp van het oppervlakte van de spiegel weet hoeveel zonlicht je opvangt en hoe je dan de rest kunt berekenen. Lukt dat met bovenstaande formules of moet ze dan toch meer gebruiken? En de soortelijke warmte capaciteit van water is dat een gegevens of moet je dat ook uitrekenen?

Heb je ook nog andere ideeen voor het geval er volgende week geen zonlicht is?       

Ik hoop dat ik niet te lastig ben met al mijn vragen maar ze snapt er niet zo veel van en het is voor mij al erg lang geleden dat ik iets met natuurkunde heb gedaan.

Sandra                                                                            

Voel jezelf niet \"lastig\", hoor. 

Met de formules die je hierboven laat zien, en dat zijn zeker niet alleen de simpelste  kan ze alle kanten op. En als er al eens iets extra's nodig is (zoals die warmtecapaciteit van water en het -niet zo moeilijke- rekenwerk daarrond) wil ik met plezier even helpen. Voor de rest zit er in die solar cooker ook (betrekkelijk eenvoudige) wiskunde, zoals het bepalen van het oppervlak van die spiegel. 

• De zon levert op een vierkante meter op het aardoppervlak een vermogen van ongeveer 1000 W/m² 
• een scheerspiegel met een oppervlak van bijv 100 cm² (= 0,01 m²) moet onder een blauwe hemel (en netjes gericht op de zon) dus een vermogen van 1000 W/m² x 0,01 m² = 10 watt op een potje water kunnen richten. 
• vermogen 10 W betekent 10 joule per seconde, en dus 600 joule per minuut
• met 4,2 joule kun je één gram water één graad celsius opwarmen
• een potje met 100 g water heeft dus 420 J nodig om 1°C warmer te worden
• met onze solar cooker zou je dus een potje met 100 mL water in een minuut 600/420 ≈ 1,5°C warmer moeten kunnen maken. 

We hoeven niet te hopen dat we na de komende dagen de zon niet meer zien, maar voor dit proefje is een halfuurtje achter elkaar blauwe lucht inderdaad wel een voorwaarde. 

andere alternatieven, paar ideetjes:

- vermogen van een waxinelichtje: ook weer water laten opwarmen, nu zo efficiënt mogelijk boven een waxinelichtje, ook weer tijd en temperatuur bijhouden, en een vrij nauwkeurig weegschaaltje om de massa waxine voor en na de proef te bepalen. Heb je zoiets niet thuis, de TOA op school kan vast wel even netjes 2 keer een waxinelichtje wegen. Op een manier als boven kunnen we dan proberen om de warmte te berekenen die je uit 1 gram waxine kunt halen, of het vermogen van een waxinevlammetje, of het rendement van je \"waxinefornuisje\".

- ik zie E=m·g·h. Kent ze toevallig ook E=½mv² (bewegingsenergie) ? Heb je een fiets met een snelheidsmeter? En is er ergens een beetje verkeersluwe steil hellende weg in de buurt waar je veilig een paar keer af kan rijden? Dan kunnen we hoogte-energie omzetten in bewegingsenergie. En dan op harde en op zachte banden, kijken of het \"rendement\" van je fiets dan verandert.

Hallo Jan,

Heel erg bedankt voor alle informatie, het wordt mij allemaal wat duidelijker en ga dit proberen deze week aan mijn dochter uit te leggen en een werkplan te maken wat ze aan haar lerares kan laten zien.

Als ik alles goed gelezen heb begrijp ik het dan goed dat ik met de formule energie = vermogen x tijd de energie van de zon uit kan rekenen mbv al jouw gegevens. We moeten dan zelf de opp van de spiegel (als dit een cirkel is) die we gaan gebruiken uitrekenen met de formule pi x diameter x diameter : 4.

We maken dan een tijd-temperatuur grafiek maar met deze formules en gegevens kunnen we dan toch ook een energie-tijd grafiek maken (jij hebt in 1 van je reacties gezegd dat je dan de soortelijke warmtecapaciteit van water nodig hebt maar ik begrijp niet zo goed wat ik daar dan mee moet). Kun je uitleggen of dat nodig is?

Ik ga samen met mijn dochter nadenken over de deelvragen die we kunnen gaan gebruiken en hoop dat we jouw hulp nog een keer mogen vragen als we er niet uitkomen.

Groet Sandra

Alles in dit hele proces hangt samen met elkaar.

voorbeeld met afstand, snelheid en tijd:

proef:

we rijden van Utrecht naar Amsterdam.

1. We meten de afstand en de tijd, berekenen daarmee de gemiddelde snelheid waarmee we reden.
2. we houden een zo constant mogelijke snelheid aan op de tachometer van de auto, en meten de tijd: nu kunnen we de afstand tussen Utrecht en Amsterdam berekenen
3. We meten de afstand en snelheid op de tachometer van de auto: nu kunnen we de tijd berekenen die we nodig hadden om van Amsterdam naar Utrecht te rijden.

We hebben dus drie grootheden die met elkaar samenhangen,

1. snelheid, (kilometer per uur)
2. afstand (kilometer)
3. tijd (uur)

als we er twee meten of opzoeken (de afstand van Amsterdam naar Utrecht zouden we op een kaart of met Google Maps kunnen opzoeken) kunnen we de derde berekenen. Dus met wat feitelijk dezelfde proef is kun je drie kanten op.

in dit energieproefje zitten wel zés variabelen:

1. - vermogen zon (joule per seconde en per vierkante meter)
2. - opp spiegel (vierkante meter)
3. - tijd (seconde)
4. - massa water (gram)
5. - temperatuur (graad celsius)
6. - soortelijke warmte water (joule per gram en per graad celsius)

die hangen allemaal direct of indirect samen, en dat kun je al aan de eenheden zien. Dus als je er 5 weet (opzoekt of meet) kun je altijd de zesde berekenen.

Dus wat je precies gaat doen hangt af van je hoofdvraag

bijvoorbeeld:

Hoeveel vermogen levert de zon per vierkante meter aardoppervlak?

Dat kun je dan gaan meten aan hoe snel een potje water opwarmt, en dan ga je er van uit dat je weet hoeveel warmte water steeds nodig heeft om op te warmen (soortelijke warmte, dat zoeken we op en rekenen we uit), dat je tijd, temperatuur, hoeveelheid water en oppervlakte spiegel kunt meten

maar we zouden ons ook als hoofdvraag kunnen stellen:

Hoeveel energie is er nodig om 200 mL water 10°C in temperatuur te verhogen?

in dat geval zoeken we het vermogen van de zonnestraling aan het aardoppervlak op (Google, of ScienceSpace :) ), en gaan we met behulp van onze meetgegevens dát uitzoeken. (en al die andere variabelen weer meten)

Je zou er dus zelfs nog aan kunnen denken om met behulp van dit proefje, en een opgezocht zonvermogen en soortelijke warmte van water de oppervlakte van je spiegel te gaan berekenen :)

En dan de deelvragen: dat is altijd lastig hoor. Ik zou zeggen, maak eens een plan van uitvoering, kijk dan eens goed naar je opstelling en kijk eens of het verschil zou maken als je er dit of dat aan zou veranderen. Of vraag jezelf bijvoorbeeld af: hoe groot zou ik mijn spiegel moeten maken om vlot een pannetje rijst te kunnen koken? Want als dat behapbaar blijft kun je bijvoorbeeld in Sahellanden énorme winst boeken op milieugebied (minder houtkap, minder ongezonde rook in dorpen, etc. En ja, die dingen bestaan echt, en zijn op basis van zo'n proefje als dit bedacht en getest. )

En je mag altijd terugkomen voor assistentie. Ik kijk hier minstens dagelijks. 

Groet, Jan

Hallo Jan,

Het verhaal wat je me gemaild hebt is op zich duidelijk, denk dat de onderzoeksvraag \"hoeveel energie is er nodig om bv 200 ml water 10 graden celsius in temperatuur te verhogen\" mijn dochter het meeste aanspreekt.

1 ding snap ik dan nog niet: We hebben 6 variabelen maar daar kom ik niet de hoeveelheid energie tegen die we willen berekenen. De 6 variabelen die jij noemt kunnen we opzoeken of meten en is dan energie de 7e die we uitrekenen met   energie = vermogen x tijd ? Of begrijp ik het dan toch niet goed?

Groet Sandra

OK, dan gaat jullie proefje naar variabele 6 zoeken. Dan zul je de rest moeten meten of opzoeken. Het mooiste zou natuurlijk zijn als je van de TOA een stralingsmeter mocht lenen, maar geen nood. Zolang je onder een blauwe lucht meet mag je in dit seizoen midden op de dag ongeveer 1000 joule per seconde per vierkante meter verwachten. zie voor bevestiging de link onderaan. Vroeger of later op de dag wordt dat wat minder omdat de zonnestralen dan een langere weg door de atmosfeer moeten afleggen, maar dan heb je nog steeds wel 800-900 J/(s·m²)

Dat neem je gewoon als uitgangspunt voor variabele 1. Tuurlijk is dat allemaal niet nauwkeurig.

Het doel kan ook nooit zijn om exact die warmtecapaciteit van water te gaan bepalen. Het doel van deze exercitie is om onderzoeksvaardigheden op te doen, leren inzien dat een keertje iets meten nooit nauwkeurige gegevens oplevert, kritisch naar je proefopstelling kijken en bedenken wat je in een volgend proefje zou kunnen verbeteren om betrouwbaardere resultaten te krijgen.

\"hoeveel energie is er nodig om bv 200 ml water 10 graden celsius in temperatuur te verhogen\"

Als jullie uitkomen op ergens tussen 4000 en 12000 joule heb je al heel aardig gewerkt :) 

spiegel zo haaks mogelijk op de zon richten (pas op, nooit in de zon kijken, en zeker niet in die weerspiegelde stralen !!!!) , glas water zo netjes mogelijk in het brandpunt van je spiegel zetten, en zachtjes roerend met je thermometer elke halve minuut de temperatuur meten. (dat soort dingen zet je eerst in je werkplan. En je test stukjes van je werkplan natuurlijk van tevoren uit zodat je niet voor al te grote verrassingen komt te staan, en zodat alles correct klaarstaat voor je echte metingen. 

http://laadzones.khlim.be/wp-content/uploads/2011/09/Zonne-energie.pdf

zie par. 3

Zonnestraling is een energiestroom die door de zon gelijkmatig worden uitgestraald in alle richtingen. De buitenste laag van de aardatmosfeer ontvangt een hoeveelheid zonne-energie ter waarde van 1,36 kW/m2. Dit is de zogenoemde zonneconstante. Bij het doordringen van de aardatmosfeer wordt de zonnestraling afgezwakt. Dat is een gevolg van reflectie, verstrooiing en absorptie, waardoor energie wordt afgegeven aan stofdeeltjes en gasmoleculen (afb. 2). Het deel van de straling dat ongehinderd doorheen de atmosfeer dringt, treft rechtstreeks het aardoppervlak; dit wordt rechtstreekse straling genoemd. Het deel van de zonnestraling dat door stofdeeltjes en gasmoleculen wordt gereflecteerd of geabsorbeerd en vervolgens weer wordt uitgestraald, treft het aardoppervlak op een niet-gerichte manier; dit soort straling heet daarom diffuse straling. De som van de rechtstreekse en de diffuse zonnestraling (afb. 3) wordt de \"globale straling\" genoemd (Eg). Deze bedraagt onder optimale omstandigheden (heldere hemel zonder wolken, middaguur) maximaal 1000 W/m2.

verder in je verslag een mooie foto van je opstelling tijdens de metingen, de tabel emt je metingen, een grafiek van die tabel (tijd-temperatuur) en de berekening om je hoofdvraag te beantwoorden. Sluit af met een \"foutendiscussie\": je vond niet de tabelwaarde: kijk eens kritisch naar je opstelling en probeer eens te bedenken hoe je een volgende keer die proef zou kunnen verbeteren om nauwkeurigere uitkomsten te krijgen. 

bijvoorbeeld (ik verzin wat data): mooie blauwe lucht rond  de middag (zon is rond halftwee zomertijd op haar hoogste punt), we gaan er van uit dat we 900 joule per s per m² vangen (900 W/m²)

ronde scheerspiegel diameter 15 cm

A= πr² = 3,14 x 7,5² = 177 cm² = 0,0177 m²

vermogen van weerkaatste stralen dus 900 x 0,0177 = 15,9 W

10 °C opwarmen kost 15,5 minuten = 930 s

E=Pxt = 15,9 x 930 = 14787 J (bijna 15 kJ, dus ruim 40 kJ om een glaasje kraanwater tot 37°C op te warmen.  Kijk eens op wat voedingsverpakkingen hoeveel boterhammen je moet eten of hoeveel cola je moet drinken om en glaasje koud water tot lichaamstemperatuur op te warmen? Dan krijg je een beetje een idee van wat een kJ energie voorstelt)

dat was voor 200 mL dus voor 1 mL (1 g water) wordt dat 14787 : 200 = 74 J.

voor elke graad en voor elke gram water is dat dus 74 : 10 = 7,4 J/g·°C

Ik weet niet of je al een BINAS-vmbo gebruikt, maar dan kun je in tabel 16 vinden hoeveel dat eigenlijk zou moeten zijn. 

Met zo'n voorbeeld moet dat deel al niet teveel hoofdbrekens meer opleveren? 

Groet, Jan