Energiebronnen Verkend: Van Fossiele Brandstoffen tot Hernieuwbare Energie

Overal om ons heen, ook bij ons mensen, is energie een van de meest voorkomende verschijnselen. Energie is alomtegenwoordig, want het speelt een rol in bijna elke toepassing, beginnend bij onszelf: de energie die we gebruiken om te overleven, de energie die we uit voeding halen. Er zijn verschillende energiebronnen die de menselijke beschaving laten functioneren. De meeste energie komt van fossiele brandstoffen, kernbrandstof of hernieuwbare energie, hoewel deze energies gebruikt worden om andere energievormen te produceren zoals mechanische en elektrische energie. Daarom is de bestudering van energie essentieel.

Vandaag leert u de definitie, toepassingen, belang, voorbeelden, typen en vormen van energie kennen. Ook de meeteenheid, transformatie en behoud van energie komen aan bod.

Wat is energie?

Energie kan gedefinieerd worden als het vermogen van een fysiek systeem om werk te verrichten; een systeem bezit energie wanneer het de capaciteit heeft om werk te verrichten. Met andere woorden: energie wordt overgedragen of omgezet wanneer werk wordt verricht. Het bestaan van energie in een systeem betekent niet per se dat deze beschikbaar is om werk te verrichten.

In de natuurkunde is energie de kwantitatieve eigenschap die aan een lichaam of fysiek systeem moet worden overgedragen om werk op het lichaam te verrichten of het op te warmen. Energie is een bewaarde hoeveelheid, wat ons brengt tot de wet van behoud van energie. Deze wet stelt dat energie in vorm kan worden omgezet, maar noch gecreëerd noch vernietigd kan worden.

Alle energietypen zijn van twee vormen: kinetische energie van een bewegend object en potentiële energie opgeslagen door de positie van een object in een krachtsveld. De meeteenheid van energie is de joule.

Ik wil dat u energie begrijpt als:

• een scalaire grootheid
• abstract en niet altijd waarneembaar
• betekenis verkrijgend door berekening
• een centraal concept in de wetenschap

Toepassingen en belang van energie

Er zijn drie basistoepassingen en belang van energie voor de mens: huishoudelijk gebruik, commercieel gebruik en transport.

Huishoudelijk energiegebruik:

Dit is de meest voorkomende manier van energieverbruik, omdat het onze dagelijkse huishoudelijke activiteiten bedient: televisie kijken, verwarming en verlichting, douchen, wassen, thuiswerken op laptop of computer, apparaten laten draaien, koken, enz. Ruim 40% van het wereldwijde energieverbruik is voor huishoudelijke doeleinden. Toch is dit ook de manier waarop energie het meest verspild wordt, door gebrek aan educatie over energiebesparing in het dagelijks leven.

Commercieel gebruik:

Commercieel gebruik omvat verwarming, koeling en verlichting van commerciële gebouwen en ruimtes, en energieverbruik door organisaties en bedrijven. Het energiegebruik hier lijkt op dat in de industriële sector, met uitzondering van persoonlijk gebruik.

Transportgebruik:

Deze sector is volledig afhankelijk van energie: meer dan 70% van de petroleum wordt gebruikt in de transportsector. Deze sector omvat alle voertuigen van personenauto's tot vrachtwagens, bussen en motorfietsen, maar ook vliegtuigen, schepen, treinen en pipelines.

Hieronder volgen de belangrijkste betekenis van energie om ons heen:

• Energie drijft communicatie, transport, computers, high-tech medische apparatuur, enz.
• Energie ondersteunt economische en maatschappelijke vooruitgang, voor een betere levenskwaliteit.
• Betrouwbare en betaalbare energie maakt producten en diensten mogelijk die het leven verrijken en verlengen.
• Energie kan levens verbeteren en redden.
• Het ondersteunt uitgebreide industrie, moderne landbouw, verhoogde handel en verbeterd transport.
• Het creëert betere levens en vermindert armoede.

Vormen en typen energie

Er zijn verschillende energievormen, allemaal ingedeeld in kinetisch of potentieel. De energie geassocieerd met beweging is kinetische energie, terwijl potentiële energie geassocieerd is met positie, maar niet "opgeslagen energie" is.

Kinetische energie

• Kinetische energie — beweging
  • Mechanische energie — beweging van macroscopische systemen
    • Machines
    • Windenergie
    • Golgenergie
    • Geluid (sonische, akoestische) energie
  • Thermische energie — beweging deeltjes van materie
    • Aardwarmte
  • Elektrische energie — beweging van ladingen
    • Huishoudstroom
    • Bliksem
  • Elektromagnetische straling — verstoring van elektrische en magnetische velden (klassieke fysica) of beweging van fotonen (kwantumfysica)
    • Radio, microgolven, infrarood, licht, ultraviolett, röntgen, gamma

Zonne-energie

Potentiële energie

• Potentiële energie — positie of rangschikking
  • Zwaartekracht potentiële energie
    • Achtbaan
    • Waterrad
    • Waterkracht
  • Elektromagnetische potentiële energie
    • Elektrische potentiële energie
    • Magnetische potentiële energie
    • Chemische potentiële energie
    • Elastische potentiële energie
  • Sterke kern potentiële energie
    • Kernenergie
    • Kernwapens
  • Zwakke kern potentiële energie

Radioactief verval

Warmte, kinetische of mechanische energie, licht, potentiële energie en elektrische energie zijn de verschillende vormen waarin energie voorkomt.

Warmte staat ook bekend als thermische energie uit de beweging van atomen of moleculen. Het kan beschouwd worden als energie gerelateerd aan temperatuur.

Kinetische energie is de energie van beweging. Een goed voorbeeld is een zwaaiende slinger.

Potentiële energie is te wijten aan de positie van een object. Een goed voorbeeld is een bal op een tafel ten opzichte van de vloer omdat zwaartekracht erop werkt.

Mechanische energie is de som van kinetische en potentiële energie van een lichaam.

Lichtenergie is beschikbaar als fotonen.

Elektrische energie is energie uit de beweging van geladen deeltjes zoals protonen, elektronen of ionen.

Magnetische energie is een vorm van energie verkregen uit een magnetisch veld.

Chemische energie wordt vrijgemaakt of verkregen uit chemische reacties, geproduceerd door het breken of vormen van chemische bindingen tussen atomen en moleculen.

Kernenergie is energie uit interacties met protonen en neutronen van een atoom. Een goed voorbeeld is energie vrijgemaakt door fissie en fusie.

Eenheden van energie

De SI-eenheid van energie is de joule (J) of newton-meter (N·m). De joule is ook de SI-eenheid van werk. Vernoemd naar James Prescott Joule, die de mechanische equivalent onafhankelijk ontdekte in een reeks experimenten. De SI-eenheid van energietempo (energie per tijdseenheid) is de watt, een joule per seconde.

Energieomzetting

Er zijn verschillende vormen van energieomzetting, die met diverse efficiënties plaatsvinden. Apparaten die tussen deze vormen transformeren, heten transducers. Een goed voorbeeld is een batterij, die chemische energie omzet in elektrische energie. Een dam zet zwaartekracht potentiële energie om in kinetische energie van stromend water en turbinenschaufels, en vervolgens in elektrische energie via een generator of warmtemotor.

Goede voorbeelden zijn elektriciteitsopwekking via een stoomturbine of het tillen van een object tegen de zwaartekracht met elektrische energie die een kraanmotor aandrijft. Het tillen verricht mechanisch werk aan het object en slaat zwaartekracht potentiële energie op. Het vallen van het object laat zwaartekracht mechanisch werk verrichten, waarbij potentiële energie omgezet wordt in kinetische energie die als warmte vrijkomt bij impact.

Een ander voorbeeld is de zon, die kern potentiële energie omzet in andere energievormen. De totale massa neemt niet af omdat de totale energie constant blijft, ook al verandert de vorm. Wel neemt de massa af wanneer energie ontsnapt naar de omgeving, voornamelijk als stralingsenergie.

Bekijk de video hieronder voor meer over energieomzetting:

Experimenten hebben aangetoond dat er grenzen zijn aan de efficiëntie waarmee warmte in werk omgezet kan worden in een cyclisch proces, bijv. in een warmtemotor. De stelling van Carnot en de tweede wet der thermodynamica verduidelijken dit. Toch zijn sommige energieomzettingen zeer efficiënt, hoewel factoren een rol spelen. Entropie helpt de richting van energieomzettingen te bepalen (welke energie in wat wordt omgezet).

Behoud van energie

Zoals eerder gezegd: de wet van behoud van energie stelt dat energie noch gecreëerd noch vernietigd kan worden. De eerste wet der thermodynamica stelt dat de energie van een gesloten systeem constant is, tenzij energie via werk of warmte wordt overgedragen, en dat geen energie verloren gaat bij de overdracht. Dit betekent: de totale instroom van energie in een systeem moet gelijk zijn aan de totale uitstroom, plus de verandering in de energie binnen het systeem. De totale energie van een systeem blijft constant als men de totale energie meet van een deeltjessysteem wiens interacties niet van de tijd afhangen.

Een goed voorbeeld is twee botsende biljartballen, die tot rust kunnen komen, waarbij de resulterende energie geluid en misschien iets warmte wordt bij het botsingspunt. Er is kinetische energie wanneer de ballen in beweging zijn. Ze hebben potentiële energie, in beweging of in rust, omdat ze op een tafel boven de grond liggen.

Een veelvoorkomende energieomzetting is de omzetting van warmte in werk bij een reversibele isothermale expansie van een ideaal gas. De tweede wet der thermodynamica stelt dat het systeem dat werk verricht altijd energie verliest als afvalwarmte. Dit creëert een limiet aan de hoeveelheid warmte die werk kan verrichten in een cyclisch proces. Mechanische en andere energievormen kunnen wél zonder dergelijke beperkingen in thermische energie worden omgezet. De totale energie van een systeem kan berekend worden door alle energievormen in het systeem op te tellen.

Conclusie

Energie is het vermogen van een fysiek systeem om werk te verrichten; een systeem bezit energie wanneer het de capaciteit heeft om werk te verrichten. Met andere woorden: energie wordt overgedragen of omgezet wanneer werk wordt verricht. Dit was het voor dit artikel over definitie, gebruik, belang, voorbeelden, typen en vormen van energie, evenals de meeteenheid, transformatie en behoud van energie.

Ik hoop dat u er voldoende aan heeft gehad; deel het graag met andere studenten. Bedankt voor het lezen, tot de volgende keer!