In een advertentie in de NRC van 18 december 2018 wordt een föhn aangeprezen die bijzondere eigenschappen heeft. Het is de krachtigste föhn die de firmaSolis ooit gemaakt heeft, eentje die met 110 km/h blaast. Dat is wel drie keer zo snel als gebruikelijk. Dankzij "ionentechnologie wordt hitte gelijkmatig verdeeld en het haar omhuld met ionen", staat in de advertentie. Verder staat er dat het vermogen 2200 W bedraagt.
a) Wat is de functie van een haarföhn?
Een warme luchtstroom creëren om haar te drogen.
b) Welke hoofdeigenschap(pen) moet een föhn hebben om die functie goed te vervullen?
De temperatuur van deuitgeblazen lucht moet hoog genoeg zijn (maar natuurlijk niet gevaarlijk hoog); de hoeveelheid per tijdseenheid uitgeblazen lucht moet groot genoeg zijn (maar je moet niet weggeblazen worden).
c) Wat gebeurt er met de luchtstroom na het verlaten van de uitstroomopening?
De luchtstroom verbreedt zich, waardoor de snelheid afneemt (net zoals de snelheid van het water in een rivier afneemt als de bedding groter wordt). Daarnaast zal de temperatuur van de hete lucht dalen door contact met de koude omgevingslucht, maar dat gaat langzaam omdat lucht een isolator is.
d) Bedenk het voordeel van een snelheid van 110 km/h.
Dan heeft de luchtstroom bij aankomst nog steeds een grote snelheid als je hem verder van je hoofd houdt.
De föhn heeft een groot vermogen als je het vergelijkt met de meeste andere huishoudelijke apparaten, zoals koelkast, televisie, stofzuiger, koffiezetapparaat.
e) Welke energieomzetting vindt plaats in een föhn?
Elektrische energie wordt omgezet in warmte en bewegingsenergie.
f) Wat is de reden dat een föhn zo veel energie verbruikt?
De motor van de föhn moet niet alleen snelheid geven aan de lucht maar deze ook verwarmen. Verwarmen kost naar verhouding veel energie.
De hete lucht die uit het mondstuk komt mag geen brandwonden veroorzaken. Daarom is de temperatuur begrensd. Ga uit van 70oC. We schatten dat de cirkelvormige uitstroomopening een diameter heeft van 3,0 cm. De begintemperatuur van de lucht is bijvoorbeeld 20oC.
g) Bereken hoeveel bewegingsenergie deze föhn per seconde aan de lucht moet geven als deze een snelheid van 110 km/h krijgt.
De oppervlakte van de uitsroomopening is A = πr2 = π× (1,5 . 10-2)2 = 7,0 . 10-4 m2.
De snelheid is 110 km/h = 30,6 m/s. In één seconde wordt een luchtkolom met volume V = 30,6 × 7,0 . 10-4 = 0,021 m3 versneld. Deze krijgt dus een bewegingsenergie mee van Ek = ½mv2 = ½ρVv2= ½× (1,293 × 0,021) × (30,6)2 = 12,7 J. Voor het geven van snelheid aan de lucht is dus een vermogen van 13 W nodig.
h) Bereken ook hoeveel warmte de föhn per seconde aan de lucht moet overdragen.
De luchtkolom van 0,021 m3 moet in één seconde 50oC verhit worden. De benodigde warmte is Q = cmΔT = 1,00 . 103 × (1,293 × 0,021) × 50 = 1,36 . 103 J. Voor het verwarmen van de lucht is dus een vermogen van 1,4 kW nodig. Véél meer dus dan wat voor bewegingsenergie nodig is. (Omdat het opgegeven vermogen 2,2 kW bedraagt is zal de uitsroomopening wel iets groter zijn dan in deze opgave aangenomen.)
Deze föhn is ook nog eens voorzien van ‘ionentechnologie’.
i) Om welke ionen zou het hier kunnen gaan?
De föhn verhit lucht en blaast deze uit. Het moet dus ionen betreffen van lucht. De hoofdbestanddelen van lucht zijn stikstof (78%) en zuurstof (21%). Het betreft dus stikstof- en/of zuurstofionen.
j) Bedenk wat het nut voor het haar van het ioniseren van de lucht zou kunnen zijn.
Als de haren dankzij de ionen een elektrische lading krijgen, dan zorgt dat ervoor dat ze elkaar afstoten. Dat zorgt voor een ´luchtig´ kapsel. Daardoor kan dan ook nog eens de warme luchtstroom goed tussen de haren komen, en daarmee zorgen voor betere droging.
