Wat is energie?

Het begrip energie

De term energie duikt voor het eerst op in de werken van de Griekse filosoof Aristoteles; hij bedoeld daar echter uitsluitend beweging mee. Tot de 18^e eeuw kende men alleen thermische (vuur), biologische (spierkracht), hydrodynamische (waterkracht) en aerodynamische (windenergie) verschijningsvormen van energie. Thermische energie werd uitsluitend voor verwarming gebruikt. Biologische, hydrodynamische en aerodynamische energie werden gebruikt als mechanische energie om arbeid te verrichten. Tot de 18^e eeuw dacht men dat warmte en arbeid, ofwel beweging, twee verschillende energievormen waren en dat beweging geen warmte en warmte geen beweging kon voortbrengen.

Pas in de eerste helft van de 19^e eeuw werd voor het eerst over energie, in de huidige betekenis van het woord, gesproken. Zowel de Duitse arts Julius Robert Mayer (1814-1878) als de Engelsman James Prescott Joule (1818-1889) kwamen rond het midden van de 19^e eeuw tot het inzicht dat beweging, warmte en chemische energie, verschillende vormen van één fysische grootheid zijn. Deze fysische grootheid werd toen energie genoemd. Zowel Mayer als Joule formuleerde de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica ofwel de Wet van Behoud van Energie; energie blijft altijd behouden en gaat niet verloren. Energie kan alleen een andere vorm aannemen. Met verschillende vernuftige experimenten toonde Joule aan dat de omzetting van één energievorm naar een andere, mogelijk is. Zijn bijdrage aan het begrip energie heeft ertoe geleid dat de eenheid van energie nu de Joule is.

Een Joule is de hoeveelheid arbeid die verricht moet worden om een massa, met een kracht van één newton, één meter omhoog te tillen. Het is ook de energie die nodig is om een lampje van één Watt, één seconde te laten branden. Ofwel 1 J = 1 Nm (Newton meter) = 1 Ws (Watt seconde). Een volwassen mens gebruikt per dag ongeveer 8 à 10 MJ (10 miljoen Joule) aan energie in de vorm van voedsel om zijn lichaam op temperatuur te houden en om lichamelijke bezigheden te verrichten. Daarmee kan een mens normale lichamelijke arbeid verrichten met een vermogen (energie per tijdseenheid) van ongeveer 100 tot 200 Watt.

Definitie van energie

Het begrip energie wordt gedefinieerd als 'het vermogen om arbeid te verrichten'. Anders gezegd; energie geeft de mogelijkheid om iets te verwarmen of om iets in beweging te zetten. Energie heeft technische en maatschappelijke ontwikkelingen mogelijk gemaakt, heeft de welvaart laten groeien, waarmee het welzijn van mensen toenam. Dank zij energie kunnen we grote hoeveelheden voedsel met weinig mensen telen, onze huizen verwarmen, ons snel in auto's verplaatsen en handige apparaten gebruiken die het leven veraangenamen. Energie is niet iets tastbaars. Het is een eigenschap die dingen kunnen hebben. Een object dat met hoge snelheid voortbeweegt heeft veel kinetische energie, een object hoog boven het aardoppervlak heeft veel potentiële energie, een vat met aardolie vertegenwoordigd een bepaalde hoeveelheid verbrandingsenergie en een hete steen heeft een bepaalde hoeveelheid energie. Objecten kunnen dus een bepaalde hoeveelheid energie hebben of vertegenwoordigen. Deze energie kan verschillende vormen aannemen.

Vormen van energie

Oudste vorm van energie, spierkracht, biologische energie

De mensheid heeft altijd energie verbruikt, het is een basisbehoefte van de mens. De oudste vorm van energie die de mensheid heeft gebruikt is biologische energie in de vorm van de spierkracht van mens en dier. Spierkracht leverde mechanische energie die vanaf de oudheid en tot ver in de Middeleeuwen werd gebruikt, voornamelijk in de landbouw en voor transport. In de landbouw werd spierkracht gebruikt voor ploegen, zaaien en oogsten (mensen, ossen, paarden). Voor het transport werden wagens en karren gebruikt, getrokken door paarden en ossen. Als lastdier werden paarden, muildieren en muilezels gebruikt, paarden werden ook als rijdier gebruikt. Tredmolens, aangedreven door de spierkracht van mensen, werden gebruikt om goederen op te hijsen. Vanaf de Middeleeuwen werd spierkracht ook gebruikt voor de aandrijving van industriële processen en voor het bewerken van landbouwproducten. Een voorbeeld is de rosoliemolen waarmee olie werd geproduceerd uit oliehoudende zaden zoals koolzaad, raapzaad en vlaszaad. De rosoliemolen werd aangedreven door paarden. Kleinere molens werden ook wel aangedreven door honden, bijvoorbeeld bij een karnmolen waarmee boter werd geproduceerd uit melk.

Vuur, thermische energie

Ver in de oudheid, de schattingen lopen uiteen van 400 duizend tot 1 miljoen jaar geleden, begon de mens een volgende vorm van energie te gebruiken, thermische energie in de vorm van vuur. Vuur komt spontaan in de natuur voor; bijvoorbeeld als gevolg van blikseminslag of bij vulkaanuitbarstingen. De mens is de enige soort die vuur zelf kan maken. In de oudheid werd vuur vooral verkregen door het stoken van hout. Daarnaast werden ook planten, gedroogde koe- en kamelenmest en olie gebruikt. De olie was niet afkomstig van aardolie maar was van plantaardige of van dierlijke oorsprong, de laatste met name van walvissen. Als deze bronnen om vuur te maken, vertegenwoordigen een vorm van chemische energie, die door verbranden wordt omgezet in thermische energie.

Vuur werd in de oudheid vooral gebruikt voor het bereiden van voedsel en voor verwarming. Door het gebruik van vuur verbeterde het welzijn van mensen. Naast voedselbereiding en verwarming werd vuur ook gebruikt als lichtbron, voor het opdrijven van wild, voor het op afstand houden van roofdieren, voor het vrijmaken van grond voor landbouw en voor het conserveren van voedsel door roken. Vanaf de bronstijd (van 1700 tot 700 voor v.Chr.) werd vuur gebruikt in houtovens voor het smelten van metalen en glas en voor het fabriceren van voorwerpen van keramiek, glas en brons. Vanaf 700 v.Chr. werden houtovens gebruikt om ijzer te maken.

Nog voor het begin van onze jaartelling, toen vuur en spierkracht de voornaamste energiebronnen waren, nam het welzijn van mensen en de welvaart verder toe. Deze toename was niet zozeer het gevolg van een toename van het energiegebruik, maar ontstond door een toenemend gebruik van werktuigen zoals de hefboom, de katrol en de vijzel (waterschroef). Met deze werktuigen kon de bestaande energie, gebaseerd op spierkracht van mens en dier, efficiënter worden aangewend. De productiecapaciteit werd echter beperkt door de spierkracht van mens en dier.

Het gebruik van hout om vuur te maken voor de verschillende activiteiten, zoals verwarming, voedselbereiding en de productie van ijzer, was dat grote delen van bossen als hout in ovens verdwenen. In bepaalde gebieden ontstond na verloop van tijd brandhoutgebrek omdat de bossen helemaal gekapt waren. Ook in Nederland was er, vanaf het jaar 1000 tot 1250, te weinig bos om in hout te voorzien. In Nederland werd na die tijd overgegaan op het stoken van turf, wat in Nederland aanwezig was. Turf is gedroogd veen, dat uit veenlagen wordt gewonnen. Vele meren en plassen in Nederland herinneren tot op de dag van vandaag aan de turfwinning, deze wateren ontstonden nadat de turf was afgegraven.

Waterkracht en windenergie, mechanische energie

Vanaf het begin van onze jaartelling kwamen andere energievormen dan vuur en spierkracht in gebruik. Als eerste hydrodynamische energie ofwel waterkracht. Waterkracht maakt gebruik gemaakt van de potentiële of kinetische energie van water. Potentiële energie bestaat uit het verval van water in rivieren of van het hoogteverschil tussen eb en vloed. De kinetische energie wordt gevormd door de energie in de vorm van stromend water. Deze hydrodynamische energie werd via watermolens omgezet in mechanische energie en verving daarmee spierkracht.

Ook aerodynamische energie, ofwel windenergie, werd sinds het begin van onze jaartelling, in plaats van spierkracht, gebruikt. Windmolens zetten de energie van wind ook om in mechanische energie. De werking lijkt op die van watermolens, alleen wordt hier gebruik gemaakt van de kinetische energie van een luchtstroom, ofwel van windenergie. De oudst bekende windmolen werd, in de eerste helft van de eerste eeuw, in Griekenland bedacht en had 16 wieken. Vanaf de zevende eeuw werden in Perzië de eerste wind aangedreven graanmolens gebruikt in de vorm van de klassieke vierwieker (zie figuur). Vanaf de 12^e eeuw werden deze molens ook in West-Europa toegepast.

Water- en windmolens werden voor industriële processen ingezet, die daarvoor met spierkracht werden gedaan. Veel van deze historische molens zijn ook nu nog in gebruik.

De stoommachine, mechanische energie

In het begin van 19^e eeuw kwam een andere vorm van energie op; steenkool. Tot deze tijd was steenkool wel bekend en werd vooral gebruikt voor verwarming. Dat veranderde door de de uitvinding van de stoommachine, waarmee werd warmte (thermische energie) omgezet in beweging (mechanische energie). De stoommachine werd aangedreven door steenkool te verbranden. De stoommachine leverde mechanische energie, daarmee werden spierkracht, wind- en waterkracht vervangen door een andere vorm van energie; chemische energie in de vorm van steenkool. In 19^e eeuw werd voornamelijk steenkool gebruikt en was daarmee de belangrijkste energievorm in die tijd. In de 20^e eeuw werd steenkool deels vervangen door andere energievormen zoals aardolie en aardgas.

Andere vormen van energie

Onze huidige maatschappij kent behalve biologische energie (spierkracht), mechanische energie (windenergie, waterkracht, stoommachine) en thermische energie (vuur, warmte uit hout, turf of kolen) vele andere energievormen. Energie is daarom een moeilijk begrip omdat het in allerlei vormen voorkomen. Behalve de hierboven genoemde energievormen zijn er bijvoorbeeld ook nog bewegingsenergie, chemische energie, elektrische energie en stralingsenergie. De onderstaande tabel geeft een overzicht van verschillende energievormen die in een geconcentreerde vorm beschikbaar zijn, met relatief hoge energiedichtheden. Daarnaast geeft de tabel een aantal technieken waarmee de verschillende energievormen in elkaar kunnen worden omgezet.

In de tabel is biologische energie weggelaten. De belangrijkste vorm van biologische energie is spierkracht waarmee meestal mechanische energie wordt opgewekt. Biologische energie wordt ook wel in andere energievormen omgezet: bijvoorbeeld in licht (vuurvliegjes) of in elektriciteit (sidderaal). Maar dat gebeurt maar op kleine schaal, deze energievormen zijn niet toepasbaar op grote schaal. Nieuwe vormen van biologische energie, in de vorm van biomassa, worden nu op grote schaal gebruikt in vergistings- en vergassingsprocessen. Daarmee worden uit organische materialen gasvormige of vloeibare brandstoffen geproduceerd.

Van de energievormen, die in de tabel worden genoemd, komen alleen chemische energie, kernenergie en licht in ruime mate in de natuur voor. Chemische energie komt voor in de vorm van aardolie, steenkool en aardgas. Kernenergie komt voor in de vorm van uranium. Energie van licht is de energie die de zon uitstraalt. Energie wordt nu nog voornamelijk gewonnen uit chemische energiebronnen. Zowel de chemische als de nucleaire bronnen zijn echter eindig.

Naast de geconcentreerde energievormen, gegeven in de tabel, zijn er meer diffuse energievormen die meestal op kinetische energie in stromingen zijn gebaseerd. Windenergie, waterkracht en zonnestraling zijn de belangrijkste diffuse energievormen. Daarnaast is er energie afkomstig uit fotosynthese (zonne-energie vastgelegd in groeiende planten en bossen) en de warmte uit de aarde. De energie-inhoud van deze vormen is meestal lager dan de energie-inhoud van de energievormen gegeven in de tabel.