Energie

Zie Energie (doorverwijspagina) voor andere betekenissen van Energie.

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.)

Etymologie

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

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.

Doordat de lichtsnelheid ongeveer m/s bedraagt en bovendien in de formule gekwadrateerd wordt, is 1 kg massaverlies goed voor joule energie. Een grote energiecentrale in Nederland, met nominaal vermogen van 600 MW, produceert nog geen 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:

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

Vormen van energie

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

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

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 door een hoeveelheid stof naar omgevingscondities (omgevingsdruk en -temperatuur) te brengen, heet exergie.

Maatschappelijk

Zie energie (economie) voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

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.

Zie ook energiebesparing

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.

Zie ook

• Rendement (energie)