Wat is energie in de natuurkunde? (met formule en voorbeelden)

Je gebruikt het woord energie waarschijnlijk de hele tijd in je dagelijks leven, maar wat betekent het eigenlijk? Welke fysieke hoeveelheid krijg je als je dingen zegt als: "Ik heb gewoon geen energie vandaag", of "Die kinderen moeten wat energie verbranden"?

Het informele gebruik van het woord geeft je misschien een eerste idee van wat energie is, maar in dit artikel zul je: leer hoe natuurkundigen energie definiëren, leer wat de verschillende soorten energie zijn en bekijk enkele voorbeelden langs de manier.

Energie is het vermogen om werk te doen of verandering teweeg te brengen. Het is iets anders dan een kracht. Een kracht is het ding dat de verandering veroorzaakt, terwijl energie kan worden gezien als de drijfveer achter de kracht. Het kost energie om een ​​kracht uit te oefenen, en het uitoefenen van een kracht op een object brengt er vaak energie naar over.

De SI-eenheid van energie is de joule waarbij 1 joule = 1 newton × 1 meter of 1 kg⋅m²/s². Andere eenheden zijn calorieën, kilocalorieën en kilowattuur.

De twee meest fundamentele vormen van energie zijn:potentiële energieenkinetische energie. Potentiële energie is opgeslagen energie, terwijl kinetische energie de energie van beweging is.

Wetenschappers maken meestal onderscheid tussen macroscopische en microscopische versies van deze energietypes. Bijvoorbeeld, potentiële energie die wordt opgeslagen door de zwaartekracht of door een samengedrukte veer wordt genoemdmechanischpotentiële energie. Maar objecten kunnen ook een ander soort potentiële energie hebben die is opgeslagen in de bindingen tussen moleculen en tussen nucleonen in een atoomkern.

Mechanische kinetische energie is de energie die wordt veroorzaakt door de beweging van een macroscopisch object. Maar in elk object hebben de moleculen zelf hun eigen kinetische energieën van een ander type.

De som van de mechanische potentiaal en kinetische energie van een object wordt zijn. genoemdtotale mechanische energie. Dit is niet hetzelfde als de totale energie van het object, die de som zou zijn van alle vormen van zijn energie, inclusief thermische, chemische enzovoort.

Het type potentiële energie opgeslagen in moleculaire bindingen is een vorm van energie genaamd energychemischenergie. Energie opgeslagen in atomaire bindingen of nucleaire bindingen wordt genoemdatomairenergie ofnucleairenergie.

Kinetische energie die op moleculair niveau bestaat als gevolg van de trillingen en bewegingen van moleculen wordt genoemdthermischenergie ofwarmteenergie. Als je temperatuur meet, meet je de gemiddelde hoeveelheid van dit soort energie.

De meest voorkomende soorten mechanische potentiële energie waar u meer over te weten kunt komen, zijn onder meer:

• ​Gravitatie potentiële energie:De energie die is opgeslagen in een object op basis van zijn locatie in een zwaartekrachtveld. Een bal die bijvoorbeeld hoog boven de aarde wordt gehouden, heeft potentiële zwaartekrachtenergie. Als het wordt vrijgegeven, zal het als gevolg daarvan dalen.
• ​Elektrische potentiële energie:Dit is de energie die is opgeslagen in een geladen object vanwege zijn positie in een elektrisch veld. De elektronen in een circuit zullen bijvoorbeeld door de batterij worden begiftigd met een bepaalde hoeveelheid elektrische potentiële energie. Wanneer de schakeling is aangesloten, zorgt dit ervoor dat de elektronen gaan stromen.
• ​Magnetische potentiële energie:Dit is energie die is opgeslagen in een object met magnetisch moment vanwege de locatie in een magnetisch veld. Overweeg wanneer u twee knopmagneten bij elkaar houdt en u voelt dat ze trekken; dit komt door de magnetische potentiële energie.
• ​Elastische potentiële energie:Dit is energie opgeslagen in een elastisch materiaal. Een uitgerekte rubberen band heeft bijvoorbeeld energie opgeslagen, net als een samengedrukte veer. Wanneer een van beide wordt losgelaten, zullen ze bewegen.

Mechanische kinetische energie verschilt van potentiële energie doordat het wordt geassocieerd met beweging, en het komt in slechts één variëteit voor. Een eenvoudige vergelijking geeft de kinetische energie van elk object met massammet snelheid bewegenv. Dat is:

Hoe sneller een object beweegt of hoe zwaarder het is, hoe meer kinetische energie het heeft.

Wanneer een object met potentiële energie wordt vrijgegeven en vrij kan bewegen, begint het te versnellen. Als gevolg hiervan neemt de kinetische energie ervan toe. Tegelijkertijd neemt de potentiële energie af. In netto blijft de totale mechanische energie van het object constant (ervan uitgaande dat er geen wrijving of soortgelijke krachten optreden), alleen verandert de energie van vorm.

In de laatste sectie werd de vergelijking voor mechanische kinetische energie geïntroduceerd. Er zijn ook formules voor verschillende soorten potentiële energieën en vergelijkingen die de relatie tussen energie en andere fysieke grootheden beschrijven.

De zwaartekracht potentiële energie van massamop hoogtehboven de aarde is:

Waarg= 9,8 m/s² is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht.

De elektrische potentiële energie van een ladingqop spanningVis eenvoudig:

De potentiële energie opgeslagen in een veer is gegeven door:

Waarkis de veerconstante (een constante die afhangt van de stijfheid van de veer) enxis de hoeveelheid waarmee de veer wordt samengedrukt of uitgerekt.

Thermische energieverandering (ook bekend als overgedragen warmte-energie) wordt gegeven door de volgende vergelijking:

WaarVraagis de energie,mis de massa,cis de soortelijke warmtecapaciteit enTis de temperatuurverandering in eenheden van Kelvin.

De fysieke hoeveelheid arbeid (gedefinieerd als het product van kracht en verplaatsing) heeft dezelfde eenheden als energie (J of Nm). De twee grootheden, arbeid en kinetische energie, zijn gerelateerd via de werkkinetische energiestelling, die stelt dat de netto arbeid op een object gelijk is aan de verandering in de kinetische energie van het object.

Een fundamenteel feit van de natuur is dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd. Dit is samengevat in de wet van behoud van energie. Deze wet stelt dat de totale energie van een geïsoleerd systeem constant blijft.

Hoewel de totale energie constant blijft, kan en verandert deze vaak van vorm. Potentieel kan veranderen in kinetisch, kinetisch kan veranderen in thermische energie enzovoort. Maar het totaalbedrag blijft altijd hetzelfde.

Het is belangrijk op te merken dat deze wet een geïsoleerd systeem specificeert. Een geïsoleerd systeem is een systeem dat op geen enkele manier kan interageren met zijn omgeving. Het enige mogelijk perfect geïsoleerde systeem in het universum is, nou ja, het universum zelf. Het is echter mogelijk om veel systemen op aarde te maken die bijna geïsoleerd zijn (net zoals het mogelijk is om wrijving verwaarloosbaar te maken, zelfs als het nooit 0 is).

Energieconversie kan op veel manieren plaatsvinden, meestal doordat opgeslagen energie wordt vrijgegeven als kinetische energie of als stralingsenergie.

Bij chemische reacties kan bijvoorbeeld chemische energie vrijkomen. Tijdens zo'n reactie verandert het van chemische potentiële energie in een andere vorm, waaronder stralingsenergie of warmte-energie.

Bij een kernreactie komt kernenergie vrij. Dit is waar Einstein beroemd isE = mc²vergelijking in het spel komt (energie is gelijk aan massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat). De massa van een kern die uit elkaar splitst om energie vrij te maken, zal uiteindelijk iets lichter zijn met een hoeveelheid die wordt bepaald door de formule van Einstein. Hoe gek het ook klinkt, massa zelf kan worden beschouwd als een vorm van potentiële energie.

Hier op aarde gebruik je waarschijnlijk vaak elektrische energie. Elke keer dat u een licht in uw huis aandoet of iets van een elektronisch scherm afleest, zoals u nu doet, gebruikt u elektrische energie. Maar waar komt deze energie vandaan?

Het voor de hand liggende antwoord is batterijen of het stopcontact, maar wat is de eigenlijke primaire bron?

Als het om batterijen gaat, wordt energie vaak chemisch opgeslagen in een batterijcel, maar veel elektronische apparaten vereisen dat hun batterijen worden opgeladen door ze aan te sluiten op een stopcontact.

De energie die via hoogspanningsleidingen je huis binnenkomt, komt ergens bij een elektriciteitscentrale vandaan. Energiecentrales hebben veel verschillende manieren om energie te oogsten en om te zetten in elektrische energie.

Enkele veel voorkomende energiebronnen die door elektriciteitscentrales worden geoogst en omgezet in elektriciteit zijn:

• ​Zonne energie:Dit is stralingsenergie die afkomstig is van de zon en kan worden opgevangen door zonnecellen.
• ​Geothermische energie:Dit is thermische energie die diep in de grond wordt gevonden en die vervolgens naar het aardoppervlak kan worden overgebracht voor gebruik.
• ​Fossiele brandstoffen:Deze omvatten steenkool en olie, die vaak worden verbrand om energie vrij te maken die is opgeslagen in chemische bindingen.
• ​Nucleaire energie:Kerncentrales wekken energie op door atoomkernen uit elkaar te halen en de energie te benutten die in de kernverbindingen was opgeslagen.
• ​Hydro-elektrische energie:Dit is energie die afkomstig is van gravitatie-potentiële energie en kinetische energie in stromend water.
• ​Windenergie:Om windenergie te oogsten, worden gigantische turbines gebruikt. De wind laat de turbines draaien en draagt ​​er zijn energie aan over.

Weet je nog dat aan het begin van dit artikel de zinnen werden genoemd: "Ik heb gewoon geen energie vandaag" en "Die kinderen moeten wat energie verbranden"? Mensen maken voortdurend gebruik van energie, en niet alleen van hun elektronische apparaten. Zowel de grote bewegingen van je lichaam als de kleine processen in je lichaam hebben energie nodig.

Het kost energie om te rennen, wandelen, zwemmen of zelfs maar je tanden te poetsen. Weet je nog kinetische energie? Als je beweegt, doe je dat via kinetische energie. Die energie moet ergens vandaan komen.

Veel onzichtbare processen die in je lichaam plaatsvinden, hebben ook energie nodig, zoals ademhalen, je bloed laten circuleren, verteren enzovoort.

Waar halen mensen hun energie vandaan? Eten natuurlijk! In het voedsel dat je eet, zit chemische energie opgeslagen. Wanneer dat voedsel in je maag terechtkomt, breekt je maagzuur het voedsel af, en zeker moleculen uit het voedsel vinden hun weg naar alle verschillende plaatsen in je lichaam die mogelijk nodig hebben energie. Dan, wanneer de behoefte zich voordoet, wordt energie verkregen via een kleine chemische reactie.

Als je nu de hele dag niet eet en veel rondrennen, verbruik je veel energie en voel je je "uitgeput" totdat je eet en je lichaam meer geeft van wat het nodig heeft.