Energie
3 havo
Water verwarmen
Bjorke wil 500 g water in een bekerglas verwarmen tot 80 °C. Het kraanwater heeft een begintemperatuur van 10 °C. Hiervoor gebruikt ze een brander die aardgas verbrandt. In figuur 1 zie je de gebruikte opstelling en enkele
gegevens over de gebruikte stoffen (water en aardgas).
figuur 1 Water: c = 4180 J·kg-1·°C-1 m = 500 g Tbegin = 10 °C Aardgas: Verbr.warmte = 32 MJ/m3 V = 15 dm3
1 Is de verbranding van aardgas exotherm of endotherm?
2 Bereken hoeveel warmte het water heeft opgenomen in Joule.
3 Bereken hoeveel warmte er is vrijgekomen bij de verbranding van het aardgas.
Bij deze proef is er sprake van een energie-omzetting: Chemische energie wordt omgezet in warmte.
KEMIA.nl
Campingaz
Kampeerders kennen het merk goed: Campingaz. De herkenbare blauwe gaspatronen zie je op campings overal. De grotere patronen (figuur 1, links) zijn gevuld met butaan, de kleinere (figuur 1, rechts) met een mengsel van butaan en propaan.
figuur 1
6 Teken de structuurformules van propaan en butaan.
Het model op de figuur rechts bevat een vloeibaar gasmengsel van propaan en butaan. Wanneer je het gaspatroon gebruikt met een gaslamp, komt het mengsel er als een gas uit.
Wanneer Jente op de camping een gaslamp een tijdje heeft gebruikt, merkt ze dat er condens op de gasfles zit. Wanneer ze de fles voelt, merkt ze dat de fles koud is geworden. Er zijn drie processen te beschouwen:
Verdampen van het propaan/butaan-mengsel Condenseren van waterdamp op het gaspatroon Verbranding van het gasmengsel voor verlichting
7 Geef voor alle drie processen aan of het exotherme of endotherme processen zijn. Geef ook aan of het om een chemische reactie gaat.
De grote gasfles bevat volledig gevuld 2,75 kg butaangas. Wanneer je het butagas gebruikt (bijvoorbeeld om te koken), komt het als een gas naar buiten met een dichtheid van 2,5 g/dm3. De verbrandingswarmte van butaangas is 121 MJ/m3.
Arjan zet op de camping vaak potjes thee, waarbij het kraanwater (ρ = 1,0 g/mL) van 10 °C aan de kook gebracht moet worden. Zijn theepot heeft een inhoud van 1,3 L. Bij het koken op de camping gaat er veel warmte verloren (wind, etc), waardoor het rendement maar 25% is.
8 Bereken hoeveel potjes thee Arjan kan zetten met een volledig gevulde gasfles. Als je deze vraag heel moeilijk vindt, kun je deze opgave ook in deelstappen maken (opg 9 t/m 13)
9 Bereken hoeveel dm3 butaangas er maximaal uit de gasfles vrijkomt.
10 Bereken hoeveel warmte er vrijkomt bij de verbranding van de hoeveelheid
butaangas die je bij opg 4 hebt berekend.
11 Bereken hoeveel warmte er daadwerkelijk aan verwarmen van water ten
goede komt.
12 Bereken hoeveel liter water je maximaal aan de kook kunt brengen. 13 Bereken hoeveel potjes thee Arjan kan zetten.
KEMIA.nl
Uitwerkingen
1 Er komt energie vrij: exotherm
2 c = 4180 J·kg-1·°C m = 500 g = 0,500 kg ΔT = Te – Tb = 80 – 10 = 70 Q = c · m · ΔT = 4180 · 0,500 · 70 = 1,46·105 J 3 V = 15 dm3 = 0,015 m3 Verbr.w. = 32 MJ/m3 E = 0,015 · 32 = 0,48 MJ = 4,8·105 J 4 5 5 1,46 10 100% 100% 30% 4,8 10 Q E 5 6 propaan butaan
7
Verdampen van het propaan/butaan-mengsel: Endotherm, faseovergang
Condenseren van waterdamp op het gaspatroon: Exotherm, faseovergang
Verbranding van het gasmengsel voor verlichting: Exotherm, chemische reactie
8 C4H10: m = 2,75 kg = 2750 g ρ = 2,5 g/dm3 3 3 2750 1100 dm 1,1 m 2,5 V Verbr.w. = 121 MJ/m3 E = 1,1 · 121 = 133 MJ Water: η = 25% Q = E · η = 133 · 0,25 = 33 MJ = 33·106 J c = 4180 J·kg-1·°C-1 ΔT = Te – Tb = 100 – 10 = 90 °C 6 33 10 88 kg Δ 4180 90 Q m c T ρ = 1,0 g/mL = 1,0 kg/L 88 88 L 1,0 m V
Dus Arjan kan 88 68
