Hugo Doeleman legt uit hoe energie natuurkundig werkt

Altijd al willen weten hoe de wereld in elkaar zit? Of gewoon zin om je natuurkundeleraar te imponeren? In tien blogs leg ik tien basisconcepten uit over de natuur en de natuurkunde, die iedereen zou moeten begrijpen. In deze blog: Energie. Wat is het eigenlijk, hoe maak je het en wat kan je er mee, en wanneer is energie ‘schoon’?

14 juni 2017

Energie is zo’n woord waar verschillende mensen hele verschillende dingen mee bedoelen. Je yogaleraar heeft het over de slechte energie in de ruimte, je voetbaltrainer over ‘energie verzamelen voor een sprintje’, en de krant heeft het weer over fossiele en kernenergie. Energie kan kennelijk vies zijn of schoon, groen of grijs, goed of slecht en fris of vals. Maar wat is energie voor een natuurkundige?

Je kunt energie omschrijven als de potentie om te bewegen, te verwarmen of anderszins arbeid te doen. Het komt in vele verschillende verschijningsvormen; alles wat beweegt heeft het, warmte is een vorm ervan, evenals licht. Het kan ook opgeslagen liggen in chemische verbindingen of door dingen tegen een kracht in te bewegen, zoals water dat tegen de zwaartekracht in een toren wordt ingepompt, of een pijl die in de boog gespannen wordt.

Energie kan opgeslagen liggen (potentiële energie) of in een beweging zitten (kinetische energie). In principe kan iedere vorm van energie in een andere worden omgezet.
Hugo Doeleman voor NEMO Kennislink

Maar hoe is men er nu bij gekomen om beweging, warmte en een pijl in een boog allemaal met dezelfde term te beschrijven? Dat zijn toch totaal verschillende dingen? Dat heb ik me ook wel eens afgevraagd. Het moet een volstrekt genie zijn geweest die heeft herkend dat al die dingen eigenlijk verschillende vormen van hetzelfde zijn. Ik stel me zo voor dat diegene dit ontdekte door te zien dat je de ene vorm in de andere kon omzetten. De chemische energie in hout zet je met vuur in warmte om, zoals je ook de energie van een gespannen boog in beweging van een pijl omzet. In principe kan je iedere vorm van energie in een andere omzetten, al zijn niet alle omzettingen even efficiënt.

Tot dusver strookt de natuurkundige definitie van energie behoorlijk met die van de yogaleraar en de voetbaltrainer. Net als de yogaleraar herkennen wij verschillende vormen van energie (we hebben zelfs ‘goede’ en ‘slechte’ soorten, al zijn die bij ons gebaseerd op hoe makkelijk je ze omzet naar andere vormen van energie) en net als de voetbaltrainer erkennen wij dat je voor beweging energie nodig hebt. Maar anders dan bij hen, moet ‘onze’ energie aan een belangrijke wet voldoen: de wet van behoud van energie.

Dat beantwoordt meteen de vraag ‘hoe maak je het?’. Je kan het namelijk niet maken! Energie is behouden en je zet het dus alleen om van de ene naar de andere vorm, maar de totale hoeveelheid moet altijd constant blijven. Energie kan dus ook eigenlijk niet verloren gaan, al kan het wel in een toestand terecht komen waarbij het eigenlijk niet langer goed bruikbaar is. Warmte op lage temperatuur is zo’n soort toestand: als je een heleboel water met 1°C warmer maakt, zit daar heel veel energie in. Je krijgt het alleen nauwelijks meer terug, want om warmte om te zetten in andere energie moet je grote temperatuurverschillen hebben.

Vieze en schone energie

En wanneer is energie nu ‘schoon’ of ‘vies’? Dat heeft er alles mee te maken waar het vandaan komt. Bijna alle energie die wij thuis gebruiken, komt het huis binnen als elektrische energie: een trilling van elektronen in de koperdraden. Maar zo is het niet begonnen, want die energie vind je niet ‘in het wild’. Al die energie komt dus oorspronkelijk uit andere vormen, zoals aardgas, steenkolen, zonlicht of wind.

Eigenlijk heel cool dat we al die verschillende dingen thuis binnen krijgen door één koperdraadje, toch? In aardgas en steenkool ligt die energie echter opgeslagen in een chemische verbinding. Om dit eruit te krijgen en in stroom om te zetten, moet het met zuurstof reageren (verbranden dus) om water en koolstofdioxide (CO2) te vormen, wat samen minder chemische energie heeft dan de beginproducten. De overgebleven energie wordt dan eerst in warmte omgezet, en dan via een turbine in stroom.

Hoewel dit proces al meer dan een eeuw bestaat en met de tijd heel efficiënt is geworden (zo’n twee keer efficiënter dan de omzetting van zonlicht naar stroom, bijvoorbeeld), is het grote nadeel dat je CO2produceert. Dit werkt als een broeikasgas en draagt sterk bij aan de opwarming van de aarde. Vanwege dit schadelijke bijproduct noemt men energie uit fossiele brandstoffen (aardolie, -gas en kolen) dus vies. Zonnepanelen of windmolens produceren geen CO2 of andere schadelijke stoffen, dus die energie noemen we schoon.

Inmiddels heb ik, net als jullie nu hopelijk, een aardig beeld van wat energie is. Maar vroeger kon ik daar nog best eens over in de war zijn. Als klein kind vroeg ik me altijd af waarom we nou zo nodig moesten eten om energie te krijgen. Als er veel meer energie in benzine zat, waarom dronken we dan niet gewoon benzine? En waarom mocht ik mijn vinger niet in het stopcontact steken? Dan zou ik toch gewoon opladen? Gelukkig was ik toen nog niet zo’n experimentalist als nu….