|
Energie is de capaciteit van een systeem om warmte, licht of beweging te produceren. Het is een natuurkundige grootheid die wordt gedefinieerd door de hamiltoniaan. De SI-eenheid van energie is joule. Energie wordt ook aangeduid als de mogelijkheid om arbeid
te 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.
Algemeen
De
toename van energie van een 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 een toestandsfunctie
dat wil zeggen: de hoeveelheid energie is onafhankelijk van de
voorgeschiedenis. Het maakt bijvoorbeeld niet uit of een veer eerst is
ingedrukt, toen 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 weer. Als een systeem zich in zo'n toestand van
minimale energie bevindt, is het in evenwicht.
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 de wet 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. De inwendige 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 het gas omgezet in warmte. En tijdens het vallen van een voorwerp wordt zwaartekrachtsenergie of potentiële energie omgezet in bewegingsenergie of kinetische energie.
Vaak wordt energie verward met vermogen:
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.
De intensiteit waarmee een mens diverse vormen van energie
ervaart verschilt soms van de objectief te meten fysische waarde van die
energie. Zo is bijvoorbeeld ca. 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.)
.
Eenheid
Naast de SI-eenheid joule zijn afhankelijk van de toepassing andere eenheden voor energie in gebruik. De wattseconde (Ws) en de newtonmeter
(Nm) zijn identiek aan de joule. De newtonmeter wordt echter zelden
gebruikt voor energie, aangezien de Nm ook de SI-eenheid van een koppel is. Voor elektrische energie wordt ook de kilowattuur (kWh) gebruikt.
Energie en massa
Albert Einstein concludeerde in zijn speciale relativiteitstheorie
van 1905 onder andere dat energie gelijkwaardig is met massa, hoewel de
praktische betekenis daarvan op dat moment nog volstrekt onduidelijk
was. De equivalentie van massa en energie wordt weergegeven in vermoedelijk de beroemdste van alle natuurkundige formules:
met E de totale energie, m de rustmassa in kilogram en c de constante lichtsnelheid in meter per seconde.
Een hardnekkige misinterpretatie van deze formule is dat het
mogelijk zou zijn om energie te laten ontstaan of verdwijnen, en wel
door energie in massa om te zetten of omgekeerd. Er zijn weliswaar kernreacties
waarbij de totale massa van de eindproducten iets kleiner is dan die
van de beginproducten en er inderdaad energie vrijkomt, maar het is
verkeerd om dan te zeggen dat er massa is 'omgezet' in energie. Als je
de kernreactie zou meten in een gesloten systeem vind je de uit de kern
vrijgekomen energie ergens anders terug in dat systeem. Hetzelfde geldt
voor de uit de kern verdwenen massa. Als je bijvoorbeeld de kernreactie
laat plaatsvinden in een afgesloten bak water waaruit geen energie
ontsnapt, dan worden de kernen lichter en (want!) ze verliezen
bindingsenergie. De interne energie van het water neemt toe (want het
wordt warmer) en ook de massa van het water neemt toe (want de interne
energie is toegenomen). Het gesloten systeem bevat na afloop evenveel
energie en evenveel massa als ervoor. Als de afgesloten bak water op een
weegschaal staat, dan geeft die voor en na de kernreactie begon,
dezelfde massa aan.
Vormen van energie
Binnen de context van de natuurwetenschappen worden verschillende vormen van energie gedefinieerd. Deze omvatten:
Maatschappelijk
Het energievraagstuk verwijst naar het probleem dat - vooral - de rijke landen steeds meer elektriciteit en warmte willen produceren terwijl de voorraad fossiele brandstoffen (kolen, gas en aardolie) steeds kleiner wordt. Vooral de opkomende economische mogendheid China
heeft ook een groot aandeel in de wereldwijde toename van de vraag naar
energie. Bovendien draagt het gebruik van fossiele brandstoffen bij aan
de luchtvervuiling en aan het versterkte broeikaseffect. Er wordt dus naarstig gezocht naar alternatieve, liefst duurzame energiebronnen, waarover veel maatschappelijke discussie is. Waterkracht is een relatief weinig omstreden energiebron, die in bergachtige gebieden op aarde al eeuwen wordt toegepast. De aanleg van stuwmeren kan echter wel leiden tot spanningen met de plaatselijke bevolking die, door de overheid gedwongen, moet verhuizen. Getijdenenergie
is slechts enigszins rendabel op plaatsen waar de zeekust een geschikte
vorm heeft en verstoort de natuurlijke getijdebeweging, wat invloed
heeft op het milieu. Zonne-energie en windenergie
zijn in principe onuitputtelijk, maar voorlopig nog niet voldoende om
een volwaardig alternatief voor fossiele brandstoffen te vormen. Kernenergie die gewonnen wordt door kernsplijting
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 de proliferatie van kernwapens. Op de lange termijn ligt beheerste kernfusie
in 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 de wet van behoud van energie is dat het niet mogelijk is om een experiment uit te voeren dat vanzelf energie genereert; het is dus niet mogelijk dat een apparaat vanzelf gaat draaien en blijft draaien zonder dat van buitenaf energie wordt toegevoerd.
Er is door de eeuwen heen (en nog steeds!) heel vaak zo'n perpetuum mobile
(letterlijk: een eeuwig beweeglijk iets) "uitgevonden", maar bij
allemaal bleek er uiteindelijk toch energie van buiten aan te pas te
komen.
Hoe zorgvuldig een machine ook wordt ontworpen, het is
onvermijdelijk dat een deel van de beweging wordt omgezet in warmte door
wrijving. In de ruimte is geen luchtwrijving, maar dan nog heeft de
machine wrijving tussen zijn eigen onderdelen. Om van warmte weer arbeid
te maken is wel mogelijk - denk aan een stoommachine
- maar dat soort "warmtemotoren" heeft nooit 100% rendement, en het
lukt dus nooit alle warmte weer terug te brengen naar arbeid.
Volgens de Tweede wet van de thermodynamica
kun je met zo'n warmtemotor arbeid verrichten door warmte naar een
reservoir met een lagere temperatuur te laten stromen. Om àlle warmte
weer in arbeid om te zetten moet dat reservoir een temperatuur van 0 K hebben, en houden. Maar in een gesloten systeem
blijft dat reservoir niet zo koud: de temperatuur in het systeem wordt
uiteindelijk overal gelijk en de machine komt tot stilstand.
|
