Mentor: Wat komt er in je op als ik zeg dat een persoon veel energie heeft?
Student: Die persoon is erg actief, doet veel dingen snel, etc.
Mentor: Juist, en de wetenschappelijke definitie van energie verschilt niet veel van dat idee. In principe is energie het vermogen om arbeid te verrichten.
Student: Maar energieke mensen doen niet altijd werk. Is de wetenschappelijke definitie van arbeid anders dan de normale definitie?
Mentor: Precies! In wetenschappelijke termen, arbeid is kracht uitgeoefend parallel aan de richting van de beweging. Kun je een voorbeeld bedenken?
Student: Als je een doos optilt, oefen je een kracht naar boven uit, de doos beweegt naar boven, en je verricht arbeid.
Mentor: Juist. Gegeven dat energie het vermogen is om arbeid te verrichten, weet je welke soorten energie er bestaan?
Student: Nou, aangezien energie te maken heeft met bewegende objecten, is er een energie van beweging?
Mentor: Ja, deze wordt kinetische energie genoemd. Van elk voorwerp dat beweegt, wordt gezegd dat het kinetische energie heeft. Nu, wat gebeurt er met de energie als je een bal in de lucht gooit?
Student: Eens kijken…Als de bal de lucht in gaat, neemt de snelheid van de bal af. Betekent dat dat de energie afneemt? En als de bal dan naar beneden komt en sneller gaat, neemt de energie dan toe?
Mentor: De kinetische energie neemt inderdaad af als de bal in de lucht stijgt en vertraagt. Dan, als de bal naar beneden komt en in snelheid toeneemt, neemt de kinetische energie toe. Weet je waarom ik kinetische energie specificeer?
Student: Zijn er nog andere soorten energie dan alleen kinetische energie?
Mentor: Dat is precies goed! Volgens de Wet van Behoud van Energie moet de hoeveelheid energie in een systeem altijd constant blijven. Maar we weten dat de kinetische energie afneemt en toeneemt als we een bal in de lucht gooien. Hoe denk je dat dit gebeurt?
Student: Kinetische energie neemt zeker af en toe, dus ik denk dat er een ander soort energie moet zijn die het voorwerp krijgt als het stijgt.
Mentor: Helemaal juist, dit type energie wordt potentiële energie genoemd. Weet je nog dat ik zei dat energie slechts het vermogen is om arbeid te verrichten? Naarmate voorwerpen hoger in de lucht komen, neemt hun potentiële energie toe door het effect van de zwaartekracht – een bal hoog in de lucht kan worden neergelaten, waardoor hij arbeid kan verrichten.
Student: Dat klinkt logisch. Ik denk dat als je een bal hoog in de lucht gooit, de potentiële energie moet toenemen terwijl de kinetische energie afneemt, en vice versa, zodat de totale energie altijd hetzelfde is.
Mentor: Ja. De potentiële energie heeft te maken met hoe hoog een object is en hoe de zwaartekracht eraan trekt. Maar genoeg over potentiële en kinetische energie, zijn er nog andere soorten energie?
Student: Ik ken geen andere manieren om arbeid te verrichten dan het verplaatsen van voorwerpen.
Mentor: Nou, als je geen andere soort energie kunt bedenken, probeer dan de Wet van Behoud van Energie nog eens te gebruiken. Waarom stopt een trein als je op de rem trapt? Hij verliest kinetische energie, maar wint geen potentiële energie.
Student: Ik heb altijd gehoord dat treinen stoppen door wrijving, dus wrijving moet een vorm van energie zijn.
Mentor: Je zit op het goede spoor. Wrijving omvat eigenlijk verschillende soorten energie die je kunt waarnemen als een trein stopt:
- Thermische energie, dat is warmte die kan worden gecreëerd door wrijving.
- Sonische Energie, dat is het geluid dat je hoort als een trein gierend tot stilstand komt.
- Licht Energie, die u zou kunnen zien in de vorm van vonken vliegen of de hete metaal op de trein gloeien rood.
Student: Dus dit betekent dat wanneer je controleert of de totale energie constant blijft, je al deze andere vormen van energie ook moet meetellen.
Mentor: Correct! Er zijn echter nog een paar andere soorten energie om te overwegen.
Student: Wacht eens even, hoe vinden natuurkundigen eigenlijk al die soorten energie? Hoe kun je zien of iets energie is of niet?
Mentor: De makkelijkste manier om andere soorten energie te vinden is door je een voorbeeld uit de echte wereld voor te stellen waarbij het lijkt alsof energie niet behouden blijft. De Wet van Behoud van Energie is altijd juist, dus er moeten een of meer andere soorten energie zijn om eventuele tekorten aan te vullen. Bijvoorbeeld, wat gebeurt er met de energie van iemand als hij op een trampoline springt?
Student: Als ze landen, nemen hun snelheid en kinetische energie af, maar ze gaan naar beneden dus hun potentiële energie neemt ook af. Trampolines maken wel geluid en geven een beetje warmte af als je erop springt, maar dat kan niet genoeg zijn om je val helemaal om te keren. Bovendien wordt op de een of andere manier als je landt genoeg energie opgeslagen om je weer de lucht in te sturen. Er moet dus een soort “veerenergie” zijn die trampolines krijgen als ze uitrekken.
Mentor: Ja, de “veer-energie” waarnaar je verwijst wordt mechanische energie genoemd en beschrijft de opgeslagen energie van veren, elastiekjes, en, ja, trampolines.
Student: Dat lijkt vrij gemakkelijk. Zijn er nog andere soorten energie?
Mentor: Er zijn nog drie vormen van energie. Kun je een van hen uit je leven en ervaringen opmaken?
Student: Nou, als ik een licht aandoe moet er iets zijn dat lichtenergie creëert, dus is elektriciteit een soort energie?
Mentor: Absoluut, elektromagnetische energie – de energie van elektromagnetisch geladen deeltjes – is een van de handigste vormen van energie, omdat het over grote afstanden kan worden overgebracht en gemakkelijk kan worden opgeslagen in de vorm van batterijen. In wezen is elektromagnetische energie de energie van de aantrekkingskracht tussen positief en negatief geladen deeltjes. Een stroom elektronen die langs een draad circuleert is als water dat door een beek stroomt: de kracht van zijn beweging kan worden gebruikt om arbeid te verrichten.
Student: En dat soort energie zien we in alle elektronica die we gebruiken, toch?
Mentor: Juist! Hoewel natuurkundigen momenteel werken aan een zogenaamde Grote Unificatietheorie die elektromagnetische en gravitatiekracht zou combineren, zodat je kinderen misschien maar één soort energie en kracht minder hoeven te leren.
Student: Wow, soms vergeet ik dat natuurkunde nog steeds verandert als er nieuwe ontdekkingen worden gedaan. Je denkt meestal dat wiskundige studies vastliggen, maar in feite worden theorieën voortdurend veranderd als er nieuwe ontdekkingen worden gedaan.
Mentor: Goed punt. In feite werd een van de modernere vormen van energie voor het eerst getheoretiseerd in 1905 en werd met succes gebruikt in de jaren 1940 – Kernenergie. Maar er is nog steeds een bekende vorm van energie over. Neem het verbranden van hout. Wat is de input en output van energie?
Student: Eens kijken, om hout te verbranden moet je het eerst in brand steken, waarvoor warmte-energie nodig is, maar dan produceert het hout veel meer warmte- en lichtenergie dan de vonk die het vuur aanwakkerde. Misschien verliest hout massa als het brandt, want er is altijd minder as over na het vuur dan er eerst hout was.
Mentor: Dat is een interessant idee, maar de enige manier waarop materie in energie kan worden omgezet is door middel van een nucleair proces, en het is duidelijk dat een vreugdevuur geen nucleaire explosie veroorzaakt. Al de ontbrekende massa die je noemt verlaat het vuur in de vorm van rook en waterdamp. Nee, de energie van hout is iets heel anders: chemische energie.
Student: Dus chemische energie is de energie die is opgeslagen in alles wat brandbaar is?
Mentor: Alles wat brandbaar is heeft chemische energie, zeker, hoewel chemische energie ook kan worden opgeslagen in niet-brandbare voorwerpen. In het algemeen is chemische energie de energie die is opgeslagen in de bindingen tussen atomen. Als hout brandt, worden die bindingen verbroken en komt hun energie vrij in de vorm van licht en warmte.
Student: Dus chemische energie is stofspecifiek, net als thermische energie.
Mentor: Ja, veel van de soorten energie zijn aan elkaar gerelateerd. Het belangrijkste om te onthouden is echter de Wet van Behoud van Energie. Het maakt niet uit welk probleem je oplost, de totale energie van het systeem moet altijd constant blijven.