5.1 Theorie

Energydrankjes! Het is soms even schrikken als je even rondzoekt op internet. Het blijkt uit wetenschappelijk onderzoek dat energie drankjes vaak weinig doen voor je concentratie, of je uithoudingsvermogen.

Wel kunnen ze leiden tot stress, angst, diarree, hoofdpijn, hartkloppingen en misselijkheid…… Maar het is natuurlijk wel stoerder dan een flesje water.

Wat is energie?

Arbeid kost energie.

Een energiedrankje suggereert dat je beter in staat bent om je taken van de dag uit te voeren. Je zou beter in staat zijn om arbeid te verrichten. En vanwege het verband met arbeid is energie een van de belangrijkste grootheden in de natuurkunde.

Als mensen praten over energie, wordt vaak gesproken over calorieën. Maar de calorie is verouderde eenheid. De SI-eenheid van energie is de Joule.

De joule is een hele kleine eenheid. 1 Joule = de arbeid die nodig is om een appel een meter omhoog te tillen.

  • Energie is het vermogen om arbeid te verrichten.
  • De grootheid Energie heeft het symbool E.
  • De eenheid van energie is de Joule.

Voorbeeld: Energievormen

Spreektaal

Natuurkunde taal

Een lamp geeft licht en wordt warm. Een lamp produceert lichtenergie en warmte-energie.
Een auto beweegt, geeft licht en wordt warm. Een auto heeft bewegingsenergie, lichtenergie en warmteenergie.
een windmolen draait. Een windmolen heeft draaiingsenergie. Omdat draaien ook een vorm van bewegen is, mag je ook spreken van bewegingsenergie.
Jouw lichaam werkt de hele dag: je lichaam moet warm blijven, je hart klopt, je loopt, je denkt na, je darmen verteren je voedsel, etcetera. Jouw lichaam zet de energie uit je voeding om in warmte energie, bewegingsenergie, chemische energie, etcetera.

 

Arbeid

In de natuurkunde maakt het niet uit wie of wat de arbeid verricht. Dat kunnen mensen of dieren zijn, maar ook bijvoorbeeld een radio of een lamp. Daarom wordt altijd gesproken over energieomzetters.

En uit dat woord kun je meteen ook al iets anders afleiden: Energie kan niet worden gemaakt. Energie kan alleen worden omgezet (veranderd) van de ene in de andere vorm.

  • Energie wordt niet gemaakt. Energie kan alleen worden omgezet van de ene vorm in de andere.
  • Die omzetting vindt plaats in een energieomzetter.

Zo’n energieomzetting kun je goed samenvatten in een energiestroom diagram:

In het midden (het blok) zet je dan de energieomzetter. De binnenkomende pijl geeft aan wat voor soort energie de energieomzetter als bron gebruikt. De uitgaande pijlen geven aan welke soorten energie worden geproduceerd.

De afmetingen van de pijlen geven globaal aan hoe de energie wordt verdeeld over de verschillende vormen die worden geproduceerd.

Voorbeeld: Een gloeilamp en een LED-lamp.

Gloeilampen zijn tegenwoordig bijna niet meer te vinden. Ze gebruiken te veel energie. Gloeilampen produceren namelijk veel meer warmte energie dan licht energie. Bij LED-lampen is dat anders: Die produceren meer licht energie dan warmte energie.

Door het energiestroomdiagram te schetsen kun je daar een goed beeld van krijgen.

Rendement

In de financiële wereld wordt vaak gesproken over de opbrengst van een investering. De rente op je spaarrekening bijvoorbeeld. Rente is een voorbeeld van financieel rendement.

De natuurkundige definitie van rendement wijkt wel iets af van de definitie die een bank hanteert:

  • Het natuurkundig rendement is de hoeveelheid energie die nuttig wordt gebruikt.

Het natuurkundig rendement wordt vaak weergegeven als het aantal procent dat nuttig wordt gebruikt. Ook een verhouding is mogelijk. Je kunt het rendement berekenen door te redeneren, maar dat kan ook met een formule:

Rendement = \frac {{E_{nuttig}}} {{E_{totaal}}}               (1)

Om het in procenten uit te rekenen kun je ook vermenigvuldigen met 100%:

Rendement = \frac {{E_{nuttig}}} {{E_{totaal}}} \cdot 100 \%             (2)

Om uit te vinden welke energie eigenlijk nuttig is, kun je jezelf de vraag stellen: “Waar is het toestel eigenlijk voor bedoeld?”.

Voorbeeld 1: Een strijkijzer.

Een broodrooster gebruikt 1000 Joule aan energie. In het broodrooster zitten draden die gaan gloeien als er elektriciteit door stroomt. Het blijkt dat er 100 Joule lichtenergie wordt gebruikt, de rest wordt warmte energie. Bereken het rendement.

De bedoeling van een broodrooster is dat hij warm wordt. Niet dat hij licht gaat geven. De lichtenergie is dus niet nuttig.

Etotaal = 1000 Joule.

Enuttig = 1000- 100 = 900 Joule.

Het rendement is dus 900 / 1000 = 0,9.

In procenten is dat 900 / 1000 = 90%.

 

Voorbeeld 2: Een computer

Je kijkt een film op de computer old-style: van een cd. De computer gebruikt op een gegeven moment Joule aan energie. 50 Joule wordt gebruikt om de cd-speler te laten draaien; het beeldscherm gebruikt 75 Joule, het geluid 5 Joule. Verder produceert de computer 70 Joule warmte energie.

Bereken het rendement.

De bedoeling van een computer is dat je hem kunt gebruiken. Daarvoor heb je het beeldscherm nodig, het geluid en de CD-speler. Warmte hoort daar niet bij.

Totaal gebruikt de computer 50 + 75 + 5 + 70 = 200 Joule.

Nuttig wordt gebruikt: 50 + 75 + 5 = 130 Joule.

Het rendement van de computer is dus 130 / 200 = 0,65

In procenten: 130 / 200 * 100 = 65 %