Energie

Een windturbine
voor het verkrijgen van 'windenergie'.

Energie is een natuurkundige 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 dezelfde natuurkundige eenheid.

De SI-eenheid van energie is joule. Energie wordt vaak aangeduid als de mogelijkheid om arbeid te verrichten. De 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 (dwz. 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 interne 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.)

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 in het verleden heel vaak zo'n Perpetuum mobile (letterlijk: eeuwige beweger) "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. 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.

Energie of massa

Albert Einstein maakte in één klap energie een stuk minder abstract: hij stelde dat energie gelijkwaardig is met massa met een formule die tot nog toe alle waarnemingen kan verklaren. Het is de equivalentie van massa en energie, in de wereldberoemde formule

met E de totale energie, m de massa in kilogram en c de constante lichtsnelheid.

In woorden: het is mogelijk om energie te laten ontstaan of verdwijnen, maar dan door energie in massa om te zetten of omgekeerd. Bij kernreacties worden de deelnemende kernen een beetje lichter, en daarbij ontstaat energie (of andersom). Doordat de lichtsnelheid zo hoog is en bovendien in de formule gekwadrateerd wordt, is een kleine massa goed voor een zeer grote hoeveelheid energie.

Vormen van energie

• Kinetische energie (bewegingsenergie)
• Gravitatie-energie (energieverandering in een gravitatieveld: zie ook Potentiële energie)
• Elektromagnetische energie
• Nucleaire energie (kernenergie)
• Warmte (thermische energie)
• Straling
• Chemische energie

Thermodynamica en vrije energie

In de thermodynamica wordt onderscheid gemaakt tussen de energie of enthalpie (H) zoals hierboven beschreven, en de vrije energie (G). De vrije energie bevat een term voor de wanordelijkheid van het systeem, genaamd entropie (S). Het deel van de energie dat kan worden omgezet in technische arbeid (natuurkunde) door een hoeveelheid stof naar omgevingscondities (omgevingsdruk en -temperatuur) te brengen, heet exergie.

Maatschappelijk

Het energievraagstuk verwijst naar het probleem dat - vooral- de rijke landen steeds meer elektriciteit en warmte willen produceren terwijl de voorraad fossiele brandstoffen steeds kleiner wordt.

In een breder kader

Energie wordt taalkundig gezien als een eigenschap, nodig om een effect te veroorzaken. Vitaliteit, gevoelens en gedachten kunnen ook gezien worden als een vorm van energie. Het woord wordt dan ook vaak overdrachtelijk en in figuurlijke betekenis gebruikt in het spraakgebruik van alledag. Een verschil is dat deze "energie in bredere zin" op kan raken, terwijl de wetenschappelijke energie alleen omgezet kan worden in energie van een andere soort. De energie in bredere zin noemt men "fut" (ook : futloos) of sterkte of pit.

  Vrije mediabestanden over Energy op Wikimedia Commons

  Vrije mediabestanden over Energy plant op Wikimedia Commons