Wat energie is

Eén joule tilt een appel van 100 g circa 1 m op; een auto van 1000 kg bij 90 km/h bezit ongeveer 310 000 joule.

Energie maakt verandering mogelijk

Een rollende bal, een uitgerekt elastiek, een warme kop thee en een opgeladen telefoonaccu hebben iets gemeen. Elk kan iets anders laten gebeuren: iets duwen, optillen, verwarmen of verlichten. Natuurkundigen geven die eigenschap één naam, energie, en meten haar in één eenheid, de joule (J). De joule is genoemd naar James Prescott Joule, die in de jaren 1840 aantoonde dat mechanische arbeid en warmte twee vormen van dezelfde grootheid zijn.

Een joule is niet veel. OpenStax geeft een handig beeld: met één joule kun je een kleine appel van 100 g ongeveer één meter optillen. Controleer het met de formule uit hoofdstuk 4: 0.1 kg × 9.8 m/s² × 1 m = 0.98 J, bijna één. Voedingsenergie tellen we in grotere eenheden. Eén kilocalorie (kcal) is 4186 J en de aanbevolen dagelijkse voeding voor een volwassene bevat circa 1.2 × 10⁷ J, twaalf miljoen joule.

Vele vormen, één grootheid

Energie heeft vele vormen; de namen beschrijven waar zij zich bevindt. Alles wat beweegt heeft kinetische energie. Zwaarte-energie wordt opgeslagen als iets tegen de zwaartekracht in wordt opgetild; elastische potentiële energie als een veer of boog wordt gebogen. Chemische energie zit in brandstoffen, voedsel en accu’s. Thermische energie is het willekeurige bewegen van atomen en moleculen, dat we als temperatuur ervaren. Elektrische energie gaat door draden, stralingsenergie reist als licht en kernenergie komt vrij als atoomkernen splitsen of samensmelten.

Kinetische en potentiële energie samen heten mechanische energie. Op een schommel of achtbaan herken je beide in één oogopslag; deze cursus werkt vooral met die twee. De andere vormen verschijnen wanneer energie het mechanische domein verlaat, meestal als warmte.

Energie ontstaat of verdwijnt nooit

Het nuttigste feit over energie is dat de totale hoeveelheid nooit verandert. OpenStax beschrijft energiebehoud zo: bij elk proces blijft de totale energie constant. Ze kan van vorm veranderen of van het ene systeem naar het andere gaan, maar het totaal blijft gelijk. Als een auto remt, verdwijnt zijn kinetische energie niet. Ze wordt thermische energie in de remschijven, waardoor die heet worden. Bij het opladen van een telefoon wordt elektrische energie chemische energie in de accu, later licht en warmte uit het scherm.

Als energie behouden blijft, waarom spreken we dan van verbruiken? Omdat de vorm ertoe doet. Energie die als warmte in de lucht verspreid is, bestaat nog, maar is moeilijk te verzamelen en opnieuw te gebruiken. Een kolencentrale zet maar circa 40 procent van de chemische brandstofenergie om in elektriciteit; de rest vertrekt als warmte. Hoofdstuk 5 meet dit met het getal dat rendement heet.

Hoe groot is een joule? Een energieschaal

De tabel zet enkele alledaagse hoeveelheden naast elkaar met waarden uit OpenStax-tabel 7.1. Het bereik is enorm. Een vliegende mug heeft circa een miljoenste joule kinetische energie; een gallon benzine bevat circa honderd miljoen joule. Wetenschappelijke notatie houdt deze getallen leesbaar: 1.2 × 10⁸ betekent 1.2 met het decimaalteken acht plaatsen naar rechts, oftewel 120 000 000.

Je kunt de regel met de auto zelf controleren. Bij 90 km/h is de snelheid 25 m/s. De kinetische energie is ½ × 1000 × 25² = 312 500 J, afgerond 3.1 × 10⁵ J. Hoofdstuk 3 legt uit waar die formule vandaan komt.

Energie kan ook zonder vormverandering worden overgedragen. Een hete pan verwarmt haar handvat door warmteoverdracht, een accu stuurt energie door een draad naar een lamp en zonlicht draagt energie door de ruimte van de zon naar de Aarde. Natuurkundigen onderscheiden twee begrippen. Een omzetting verandert de energievorm, bijvoorbeeld chemisch naar kinetisch. Een overdracht verplaatst energie tussen voorwerpen of systemen, door arbeid (een kracht over een afstand) of warmte (van warm naar koud). Het volgende hoofdstuk behandelt de eerste mogelijkheid: arbeid.