Energie omzetten
Energie is één van de allerbelangrijkste grootheden in de natuurkunde. In het dagelijkse leven zijn we namelijk voortdurend energie aan het omzetten. Bijvoorbeeld om iets op te tillen, om ergens naartoe te rijden, om te kunnen zien in het donker enzovoorts. Hiervoor hebben we energie nodig. Die halen we bijvoorbeeld uit eten, uit brandstof, uit atoomkernen of uit licht van de zon. Deze zetten we dan om in andere soorten energie, bijvoorbeeld warmte, zwaarte-energie, licht of beweging.
Energiesoorten
Er zijn allerlei soorten energie, hieronder staan er een aantal genoemd. De eenheid van de natuurkundige grootheid energie is de joule (J), dat geldt natuurlijk voor alle energiesoorten.
Licht: de energie van lichtdeeltjes (fotonen).
Elektrische energie: energie van geladen deeltjes in een stroomkring.
Warmte: de energie die overgedragen wordt bij een temperatuurverschil.
Kinetische energie (bewegingsenergie): de energie die een bewegend voorwerp heeft. Hoe groter de snelheid, hoe meer kinetische energie.
Chemische energie: de energie die opgeslagen zit in een brandstof.
Zwaarte-energie: de energie die een voorwerp heeft wanneer het op een bepaalde hoogte is. Hoe hoger het voorwerp zich bevindt, hoe meer zwaarte-energie het voorwerp heeft.
Kernenergie: de energie die opgeslagen zit in een atoomkern.
Veerenergie: de energie die een ingedrukte of uitgerekte veer, elastiek of ander elastisch vervormd voorwerp heeft. Hoe verder de veer ingedrukt of uitgerekt is, hoe groter de veerenergie.
Energie omzetten
Energie wordt nooit verbruikt, maar kan wel omgezet worden in een andere soort energie. Zo zet een lamp elektrische energie om in warmte en licht, en een zonnepaneel zet licht om in elektrische energie en warmte. Jouw lichaam zet chemische energie (uit voedsel) om in warmte en arbeid die verricht wordt door jouw spieren. Bij elk apparaat kun je bedenken welke energieomzetting er plaats vindt. De totale energie blijft altijd gelijk, er gaat nooit energie verloren.
Je kunt een energieomzetting beschrijven door aan te geven welke energiesoort(en) er vóór en welke energiesoort(en) er ná de omzetting is of zijn. Zo geldt er bijvoorbeeld voor een achtbaankarretje dat omhoog getakeld wordt:
elektrische energie → zwaarte-energie + warmte
Wet van behoud van energie
De wet van behoud van energie is één van de belangrijkste wetten van de natuurkunde. Deze zegt dat de totale energie vóór de energieomzetting altijd gelijk is aan de totale energie ná de omzetting. Hieruit blijkt dat energie dus nooit verloren gaat, hij kan alleen omgezet worden in andere energiesoorten. Soms is die energiesoort gewenst, soms niet.
In het voorbeeld van de gloeilamp wordt elektrische energie omgezet in warmte en licht. De hoeveelheid warmte en licht bij elkaar opgeteld is dan altijd even groot als de hoeveelheid elektrische energie die de lamp ontvangt.
Energiestroomdiagram
Energieomzettingen worden vaak weergegeven met een energiestroomdiagram. Hierin staat de energieomzetter (het apparaat of voorwerp dat energie omzet) in het midden en wordt er met pijlen aangegeven welke energie er in gaat en naar welke energie dat omgezet wordt. De hoogte van de pijl is een indicatie van de hoeveelheid energie. Vanwege de wet van behoud van energie moet de totale hoogte van de pijlen aan de linkerkant altijd even groot zijn als de totale hoogte van de pijlen aan de rechterkant. Hieronder staan een aantal voorbeelden van energiestroomdiagrammen.
Energiestroomdiagram van zonnepanelen.
Energiestroomdiagram van een (ouderwetse) gloeilamp.
Energiestroomdiagram van een ledlamp die evenveel licht geeft als de gloeilamp op de afbeelding hiernaast.
Rendement
Een apparaat of een andere omzetter zet meestal de energie om in meerdere andere soorten energie. Vaak is één van die soorten nuttig (daar is het apparaat voor gemaakt), en zijn de andere soorten niet nuttig. Welk deel van de energie na de omzetting nuttig is wordt uitgedrukt in het begrip rendement.
Het rendement is het deel van de totale energie dat nuttig gebruikt wordt na de energieomzetting. Je deelt dus de nuttige energie door de totale energie.
Zo heeft bijvoorbeeld een gloeilamp die elke minuut 2 400 joule elektrische energie omzet in 144 joule licht (dat is bij een gloeilamp de nuttige energie!) een rendement van 144/2400 = 0,06. De overige 2 256 joule wordt omgezet in warmte.
Het rendement wordt vaak weergegeven in een percentage. Een rendement van 0,06 is bijvoorbeeld hetzelfde als een rendement van 6%. Een 'procent' betekent namelijk 'honderdste' of 'per 100'. Het rendement van een zonnepaneel is bijvoorbeeld 0,23. Dat betekent dat 23% van het licht (de stralingsenergie) omgezet wordt in elektrische energie.
Je kunt alleen energie omzetten in andere energievormen, daarom kan het rendement (in de natuurkunde) nooit groter zijn dan 1 (of: 100%). Immers, als dat wél zo zou zijn dan zou je energie kunnen 'maken' en dat is onmogelijk volgens de wet van behoud van energie.
Vermogen
Het vermogen is de hoeveelheid energie die per seconde wordt omgezet. De eenheid van vermogen is watt (W), één watt is dus hetzelfde als één joule per seconde.
Omdat het vermogen de energie per seconde is, kun je het rendement van een energieomzetting ook berekenen aan de hand van het nuttige en totale vermogen. Het totale vermogen is dan de totale energie die per seconde omgezet wordt. Het nuttige vermogen is de energie die elke seconde nuttig gebruikt wordt.
Elektrische apparaten
Op elektrische apparaten (apparaten die je aansluit op een stopcontact of batterij) staat als het goed is altijd het elektrische vermogen vermeld. Deze geeft aan hoeveel elektrische energie er per seconde door het apparaat omgezet wordt, in bijvoorbeeld warmte, licht of arbeid die het apparaat verricht. Wanneer je weet hoe lang het apparaat aan staat, kun je dus de hoeveelheid elektrische energie die het apparaat nodig heeft uitrekenen.
Typeplaatje van een waterkoker, waarop het elektrische vermogen wordt aangegeven.
Energiestroomdiagram van een waterkoker.
Energieomzetting bij verbranding
Bij de verbranding van een brandstof wordt chemische energie omgezet in voornamelijk warmte. De chemische energie is de energie die opgeslagen zit in een brandstof, zoals hout, olie of voedsel. De hoeveelheid energie is niet alleen afhankelijk van hoeveel brandstof je hebt, maar ook van welke brandstof het is. Dat laatste wordt weergegeven in de stookwaarde: het aantal joule dat per kilogram, kubieke meter of liter brandstof opgeslagen zit. De stookwaarde is een stofeigenschap dus je kunt deze per brandstof opzoeken in een tabel. De stookwaarde wordt soms ook verbrandingswarmte genoemd. Bij vaste brandstoffen (zoals hout of steenkool) is het het meest gebruikelijk om de stookwaarde in joule per kilogram te geven. Je moet dan met het aantal kilogram vermenigvuldigen om de chemische energie te berekenen.
Bij vloeibare brandstoffen (zoals benzine of alcohol) is de stookwaarde meestal in joule per liter gegeven, bij gasvormige brandstoffen (zoals aardgas) meestal in joule per kubieke meter. De formule wordt dan geschreven zoals hieronder.
De chemische energie die opgeslagen zit in het aardgas wordt omgezet in warmte (en een beetje licht).
De chemische energie die opgeslagen zit in de stukjes hout wordt omgezet in warmte (en een beetje licht).