Energie

Energieis een fundamentelenatuurkundige grootheid,dat is een meetbare eigenschap van een natuurkundig verschijnsel. Een algemeen geldige korte definitie is niet mogelijk omdat van de vele soorten fysische verschijnselen,thermisch,mechanisch,straling,chemisch,enz. energie op veel verschillende manieren gemeten wordt. Al deze metingen hebben gemeen dat de resultaten uitgedrukt kunnen worden in dezelfdenatuurkundige eenheid.

DeSI-eenheidvan energie is dejoule.Omdat alle soorten energie uitgedrukt worden in deze eenheid, zijn ze vergelijkbaar. De warmte die vrijkomt bij verbranding van een ton steenkool bijvoorbeeld, is te vergelijken met de elektriciteit die een windmolen genereert in een bepaalde tijd, hoewel deze hoeveelheden energie zeer verschillend zijn gemeten.

Energie wordt wel aangeduid als de mogelijkheid omarbeidte verrichten, of ruimer: de mogelijkheid om een verandering te bewerkstelligen. Energie kan ook gezien worden als essentiële natuurlijke hulpbron, aangezien ze geconsumeerd, geproduceerd en gebruikt wordt door levende wezens, zieenergie (economie).

Algemeen

De toename van energie van een mechanisch systeem is de totale hoeveelheid arbeid die moet worden verricht om vanaf een grondtoestand tot de huidige situatie te komen. Bijvoorbeeld hoeveel arbeid het kost om een zwaar voorwerp vanaf de grond op een tafel te zetten, of de hoeveelheid arbeid om een spiraalveer die eerst ontspannen was, een bepaalde afstand in te drukken.

De totale energie van een systeem is de som van alle vormen van energie die op verschillende manieren zijn opgeslagen. Energie is eentoestandsfunctie,dat wil zeggen: de hoeveelheid energie is onafhankelijk van de voorgeschiedenis. Het maakt bijvoorbeeld niet uit of een veer eerst is ingedrukt en daarna op de tafel is gehesen of andersom.

Als het systeem niet wordt tegengehouden, zal het altijd proberen de hoeveelheid vrije energie zo klein mogelijk te maken: de veer rolt van tafel af en ontspant zich weer. Als een systeem zich in zo'n toestand van minimale energie bevindt, is het inevenwicht.

De totale hoeveelheid energie in een gesloten systeem (dat wil zeggen dat er geen materiaal of straling in- of uit kan) blijft altijd gelijk; dit heet dewet van behoud van energie.De totale energie van een systeem is de optelsom van alle microscopische en macroscopische energieën, namelijk; thermische, mechanische, kinetische, potentiële, elektrische, magnetische, chemische en nucleaire energie. Deinwendige energie(U) van een systeem wordt gegeven door de som van alle microscopische energieën; alle bovenstaande behalve kinetische, potentiële en mechanische energie.

In veel processen wordt een soort energie in een andere omgezet. Zo wordt in een gaskachel de chemische energie in hetgasomgezet inwarmte.En tijdens het vallen van een voorwerp wordtzwaartekrachtsenergieofpotentiële energieomgezet inbewegingsenergieofkinetische energie.

Vaak wordt energie verward metvermogen:dit is echter energie per tijdseenheid. Iemand die op een keukentrapje klimt heeft daarvoor theoretisch net zoveel energie nodig als wanneer hij even hoog springt. Het springen gebeurt in minder tijd en daarom is daarvoor wel meer vermogen nodig. Een beeldend voorbeeld is ook het ophijsen van een piano met een horlogemotor: bij gebruik van een zwak motortje kost het ophijsen van een zwaar voorwerp veel tijd, maar het kan wel (als we wrijving verwaarlozen).

De intensiteit waarmee een mens diverse vormen van energie ervaart, verschilt soms van de objectief te meten fysische waarde van die energie. Zo is ongeveer 40kJ (40 000 joule) nodig om een kopje water tot tegen het kookpunt te brengen. Met diezelfde hoeveelheid energie zou men een baksteen van een kilogram vanaf het aardoppervlak naar 4 km hoogte kunnen gooien, of een stadsbus van 4 ton een meter optillen (afgezien van omzettings- en wrijvingsverliezen).

Etymologie

Het woord energie komt van het Griekse ἐνέργειαEnergeia,dat waarschijnlijk voor het eerst wordt gebruikt in het werk vanAristotelesin de 4e eeuw v. Chr.

Eenheid

Naast de SI-eenheid joule zijn afhankelijk van de toepassing andere eenheden voor energie in gebruik. Dewattseconde(Ws) en denewtonmeter(Nm) zijn identiek aan de joule. De newtonmeter wordt echter zelden gebruikt voor energie, aangezien de Nm ook de SI-eenheid van eenkoppelis. Voor elektrische energie wordt ook dekilowattuur(kWh) gebruikt.

Energie en massa

Albert Einsteinconcludeerde in zijnspeciale relativiteitstheorievan 1905 onder andere dat energie gelijkwaardig is met massa, hoewel de praktische betekenis daarvan op dat moment nog volstrekt onduidelijk was. Deequivalentie van massa en energiewordt weergegeven in vermoedelijk de beroemdste van alle natuurkundige formules:

E=mc^{2}

met $E$ de totale energie, $m$ derustmassainkilogramen $c$ de constantelichtsnelheidin meter per seconde.

Doordat de lichtsnelheid ongeveer $3\cdot 10^{8}$ m/s bedraagt en bovendien in de formule gekwadrateerd wordt, is 1 kg massaverlies goed voor $9\cdot 10^{16}$ joule energie. Een grote energiecentrale in Nederland, met nominaal vermogen van 600 MW, produceert nog geen $2\cdot 10^{16}$ joule per jaar.

Belangrijk om hier op te merken is dat bovenstaande formule slechts geldig is voor stilstaande deeltjes. Het is een vereenvoudiging van de volledige versie van deze formule van Einstein, waarin wel rekening wordt gehouden met beweging ten opzichte van een assenstelsel:

E={\sqrt {m^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}}}

met $E$ de totale energie, $m$ derustmassa, $c$ delichtsnelheiden $p$ de grootte van deimpuls.Voor stilstaande deeltjes is de snelheid, en dus ook de impuls, gelijk aan nul, wat terug de befaamde vereenvoudiging oplevert.

Thermodynamica en vrije energie

In dethermodynamicawordt onderscheid gemaakt tussen deenergieofenthalpie( $H$ ) zoals hierboven beschreven, en devrije energie( $G$ ). De vrije energie bevat een term voor de wanordelijkheid van het systeem, genaamdentropie( $S$ ). Het deel van de energie dat kan worden omgezet in technischearbeiddoor een hoeveelheid stof naar omgevingscondities (omgevingsdruk en -temperatuur) te brengen, heetexergie.

De thermodynamica verklaart waarom met hete stoom wel elektriciteit gemaakt kan worden, en niet met een grotere hoeveelheid lauw water die dezelfde energie-inhoud heeft, of, anders gezegd, waarom een stoommachine nooit een 100% rendement heeft, doch een deel van de aangevoerde energie verloren gaat in het koelwater.

Maatschappelijk

Het energievraagstuk verwijst naar het probleem dat - vooral - de rijke landen steeds meerelektriciteitenwarmtewillen produceren terwijl de voorraadfossiele brandstoffen(kolen, gas en aardolie) steeds kleiner wordt. Vooral de opkomende economische mogendheidChinaheeft ook een groot aandeel in de wereldwijde toename van de vraag naar energie. Bovendien draagt het gebruik van fossiele brandstoffen bij aan deluchtvervuilingen aan het versterktebroeikaseffect.Er wordt dus naarstig gezocht naar alternatieve, liefstduurzame energiebronnen,waarover veel maatschappelijke discussie is.Waterkrachtis een relatief weinig omstreden energiebron, die in bergachtige gebieden op aarde al eeuwen wordt toegepast. De aanleg vanstuwmerenkan echter wel leiden tot spanningen met de plaatselijke bevolking die, door de overheid gedwongen, moet verhuizen.Getijdenenergieis slechts enigszins rendabel op plaatsen waar de zeekust een geschikte vorm heeft en verstoort de natuurlijke getijdebeweging, wat invloed heeft op het milieu.Zonne-energieenwindenergiezijn in principe onuitputtelijk, maar voorlopig nog niet voldoende om een volwaardig alternatief voor fossiele brandstoffen te vormen.Kernenergiedie gewonnen wordt doorkernsplijting,kan in principe veel meer energie leveren, maar daaraan kleven bezwaren van het radio-actieve afval, de potentieel grote rampen bij ongelukken in kerncentrales (al is de kans daarop klein) en het in de hand werken van deproliferatievankernwapens.Op de lange termijn ligt beheerstekernfusiein het verschiet als betrekkelijk schone, veilige en vrijwel onuitputtelijke energiebron, maar na tientallen jaren van onderzoek zijn de technische problemen nog lang niet opgelost.

Gratis energie?

Een gevolg van dewet van behoud van energieis dat het niet mogelijk is een experiment uit te voeren datvanzelfenergie genereert. Het is dus niet mogelijk dat een apparaatvanzelfgaat draaien en blijft draaien zonder dat van buitenaf energie wordt toegevoerd. Al vaak is zo'nperpetuum mobile(letterlijk:voortdurend bewegend) "uitgevonden", maar bij allemaal bleek er toch energie van buiten aan te pas te komen, of het apparaat kwam uiteindelijk tot stilstand.

Hoe zorgvuldig een machine ook wordt ontworpen, het is onvermijdelijk dat een deel van de beweging door wrijving wordt omgezet in warmte. In de ruimte is geen luchtwrijving, maar dan nog heeft de machine wrijving tussen zijn eigen onderdelen. Het is wel mogelijk om van warmte mechanische energie te maken, zoals in eenstoommachine,maar dit soort "warmtemotoren" heeft geen rendement van 100%. Het is daardoor onmogelijk álle warmte om te zetten in arbeid. Volgens deTweede wet van de thermodynamicakan zo'n warmtemotor arbeid verrichten door warmte naar een reservoir met een lagere temperatuur te laten stromen. Om alle warmte in arbeid om te zetten, zou dat reservoir echter een temperatuur van0 Kmoeten hebben en houden. Maar in eengesloten systeemblijft dat reservoir niet zo koud: de temperatuur in het systeem wordt uiteindelijk overal gelijk en de machine komt tot stilstand.

Vormen van energie

Binnen de context van denatuurwetenschappenworden verschillende vormen van energie gedefinieerd. Deze omvatten:

Chemische energie
Elastische energie
Elektrische energie
Elektromagnetische energie
Geluidsenergie
Gravitatie-energie(energieverandering in een gravitatieveld: zie ookPotentiële energie)
Kernenergie(Nucleaire energie)
Kinetische energie(bewegingsenergie)
Lichtenergie
Magnetische energie
Massa(E=mc²)
Straling
Warmte(thermische energie)

Zie ook

Rendement (energie)