Thermodynamica 1. Kennismaken met energie.

Energie. Een begrip dat we dagelijks gebruiken, en waar iedereen intuïtief van begrijpt wat het betekent.

Energie is waar je voor betaalt om je smartphone of je laptop op te laden. Energie laat gloeilampen branden en vriest je maaltijd in, kookt je theewater en zorgt voor warm douchewater. We leven ervan: we rekenen vaak zeer nauwgezet uit hoeveel calorieën er in onze hamburger met frietjes zitten en maken ons dan zorgen of we wel extra vinaigrette op het bijbehorend slaatje zouden doen (en als compromis gaan we dan voor een suikervrije cola – de zero geeft compromisloos aan hoeveel energie er in een blikje van het spul te vinden is). Sommige drankjes zeggen ons dat ze extra veel energie bevatten… ze bedoelen daarmee dan eerder het stimulerende cafeïne, maar we voelen ons wel actiever (met of zonder vleugels).

Energie in wind, elektriciteit, water, zonlicht en levende organismen.
Bron: Kenueone, Pixabay, publiek domein.

Energie is ook wat je vliegtuig omhoogtilt om je naar zuiderse vakantiebestemmingen te brengen, wat je elektrische step in beweging houdt, en wat ervoor zorgt dat je tram weer vertrekt op de halte (te laat en overbezet, maar dat nemen we er dan wel weer bij). Energie laat bomen groeien, koeien kalveren en schimmels woekeren, verschuift continenten op de aardbol, houdt de maan in een baan rond de aarde en warmt ons op in de zomermaanden; energie zet chemische reacties in gang (van een flakkerend vlammetje van een theelichtje tot de meest verwoestende explosie); energie zorgt dat er licht schijnt op de planeet, zowel uit het achterlijf van een glimworm als vanuit die grote bal van waterstof en helium die we zon noemen. We spreken over fossiele bronnen van energie (de restanten van dode dinosauriërs en megavarens, die de planeet honderden miljoenen jaren geleden bewoonden), en over hernieuwbare energie (zonlicht, wind en waterkracht); we halen energie uit diepe aardlagen en uit het hart van atomen. En als we te veel energie uit die fossiele bronnen halen, dan warmen we de planeet op – weer een kwestie van energie.

Kortom – alles gebeurt dankzij energie. En daarmee weten we dus wat energie doet: energie laat dingen bewegen: macroscopische voorwerpen zoals vliegtuigen en trams. maar ook microscopische, zoals waterstofatomen en kaarsvetmoleculen (en hoe meer energie die hebben, hoe sneller die moleculen bewegen, hoe harder ze botsen met andere moleculen en hoe heviger ze reageren met die andere moleculen). We kunnen zelfs nauwkeurig rekenen met die energie: hoe snel een bal van een heuvel afrolt, is een vraagstuk rond energie, net zoals de vraag

We weten echter nog altijd NIET wat energie juist is. We kunnen het niet vastpakken, in een fles bijhouden op een schab in een of andere zuivere vorm, en we kunnen het ook niet kweken. Dat zei ook Richard Feynman, Nobelprijswinnaar en hoogleraar aan Caltech (https://www.caltech.edu/), in een van zijn (zeer onderhoudende) voordrachten uit de jaren 1960:  

It is important to realize that in physics today, we have no knowledge of what energy is. We do not have a picture that energy comes in little blobs of a definite amount. It is not that way. However, there are formulas for calculating some numerical quantity and when we add it together it gives “28″—always the same number. It is an abstract thing in that it does not tell us the mechanisms or the reasons for the various formulas.

 

Richard Feynman (1918-1988)
Lees meer over de man in een van onze eerdere artikels.
Bron foto: Tamiko Thiel, 1984, publiek domein

 

Soorten energie

Ook wat soorten energie betreft, bestaat er niet altijd eensgezindheid. Zo spreekt men van elektrische energie, mechanische energie, magnetische, ioniserende, chemische, thermale… Maar in feite bestaan er maar twee soorten: potentiële en kinetische energie. Alle andere zijn toepassingen van een van die twee, of van een combinatie.

Een voorwerp bezit potentiële energie omwille van zijn positie, weg van een evenwichtspositie. Zo heeft een bal die in de lucht hangt potentiële energie, omdat de aarde de bal aantrekt; hoe verder die bal zich van het aardoppervlak bevindt, hoe meer energie de bal heeft. Twee geladen voorwerpen oefenen een kracht uit op mekaar – twee elektronen stoten mekaar af, en een positieve lading trekt die elektronen aan (en zo krijgen we een elektrische spanning en stroom). En wanneer een magneet wordt aangetrokken tot een stuk staal, zorgt dit voor potentiële energie van het magnetische type. Ook spanningen in een voorwerp kunnen dit voorwerp potentiële energie geven. Door de pees van een boog op te spannen, steken we er potentiële energie in; hoe verder we een veer (of een elastiekje) uitrekken, hoe meer energie er in die veer zit. Een met lucht gevulde ballon vertoont elastische potentiële energie, omdat de wanden van de ballon door lucht zijn uitgezet. We kunnen zelfs spreken van chemische potentiële energie: de energie die bij een chemische reactie kan vrijkomen, bijvoorbeeld – er zit meer energie verscholen in een kilo vuurwerk dan in een kilo zout (en wie dat niet gelooft, houdt er maar eens een vlammetje bij). Wanneer we eten, haalt ons lichaam chemische potentiële energie uit dat voedsel om mee te groeien en om zich warm mee te houden.

En dan is er kinetische energie – energie die een voorwerp haalt uit zijn bewegingen, en die evenredig is met de snelheid van dat voorwerp (of liever, met het kwadraat van zijn snelheid, maar daar gaan we hier niet op in). Beweging kan in verschillende vormen voorkomen. Zo zijn er verplaatsingen (van de ene positie naar een andere) of translaties – bijvoorbeeld een bal die door de lucht vliegt, een racewagen die aan 300 km per uur over een racecircuit scheert, maar ook een elektron dat zich door een koperen draad wurmt. Andere bewegingen zijn draaiingen of rotaties – de aarde draait om haar as en ook rondom de zon; een vliegwiel in een motor draait en stuurt de wielen aan. En ten slotte zijn er trillingen of vibraties – golfbewegingen en slingers, maar ook geluidsgolven en zelfs lichtgolven, waarvan de energie vasthangt aan de snelheid waarmee ze trillen.

 

Het spectrum aan elektromagnetische golven.
De energie (E) van een foton of lichtdeeltje wordt uitgedrukt als

E = h·ν = h·c/λ

Hierbij is h de constante van Planck, zijnde 6.627x10-34 J·s, ν (de Griekse letter nu) de frequentie van de golf (trillingen per seconde), c de lichtsnelheid en λ (de Griekse letter lambda) de golflengte van het foton. Hoe hoger de frequentie (hoe meer het lichtdeeltje trilt per seconde), hoe meer energie het bevat.

Die golflengte duidt meteen de kleur aan van het uitgestuurde licht:
Zichtbaar licht: 400 nm tot 700 nm
Nabije infrarood: 700 nm tot 1300 nm
Midden-infrarood: 1300 nm tot 2500 nm

Hoe langer de golflengte van het licht, hoe lager de energie in dat licht dus is.
 

Bron: MeNS 44 en 94, en een eerdere blogpost

 

Beide energievormen zijn overigens twee handen op één buik, twee zijden van eenzelfde medaille, yin en yang. Ze gaan in mekaar over, van potentiële naar kinetische en weer terug naar potentiële energie. De potentiële energie in de gespannen boogpees geeft de pijl bij zijn vertrek richting de roos snelheid; de spanning (of, met een ander woord, het potentiaalverschil) tussen de negatieve en positieve polen van een batterij laat de elektronen in de draden tussen beide bewegen; chemische energie komt vrij wanneer de benzine ontploft in een motor, en dat geeft een vliegwiel snelheid. Met één belangrijke vaststelling: de som van beide vormen is steeds dezelfde. En die vaststelling is meteen de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica: energie wordt enkel omgezet, niet gecreëerd en ze gaat ook nooit verloren.

In volgende blogposts onderzoeken we het concept van energie verder, en dan wordt dit verder duidelijk.

Deze blogpost is een aanvulling op Elementair, onze podcast over wetenschap, te vinden op Spotify en op Libsyn.

Deze podcast wordt gesteund door het Fonds Ernest Solvay via de Koning Boudewijnstichting

Geplaatst door Geert op 20/04/2020 om 22:06