Als energie het vermogen is om... Wat is dan 'vermogen'?

Evert, 66 jaar
4 augustus 2019

In de meeste uitleg van energie, worden 'kracht' of 'vermogen' als fenomenen niet uitgelegd.

Antwoord

Een vrij fundamentele vraag in de fysica : kracht - arbeid - energie - vermogen.  De beste manier om dit te verduidelijken is te kijken naar de eenheden waarin elk van deze grootheden uitgedrukt worden en deze te herleiden tot hun basis-SI eenheden.

Kracht wordt uitgedrukt in Newton.  1 Newton = 1 kg x m / s².  Een kracht van 1 Newton is dus de kracht nodig om een lichaam van 1 kilogram in 1 seconde te versnellen tot 1 meter per seconde.  In het algemeen is een kracht een grootheid die een lichaam van snelheid kan doen veranderen of vervormen.  Een kracht heeft een grootte en een richting en wordt dus vaak als een pijl (vector in de wiskunde) voorgesteld.  Er zijn 4 fundamentele krachten: zwaartekracht en elektromagnetische kracht zijn de enige waarmee wij dagdagelijks zichtbaar worden geconfronteerd. Daarnaast zijn er nog de sterke en zwakke kernkracht die enkel op atomaire schaal werkzaam zijn. Alle krachten worden via krachtenvelden overgebracht, maar in de dagelijkse beleving wordt een kracht ook vaak schijnbaar via 'contact' tussen 2 voorwerpen overgebracht.  Op atomaire schaal komt dat neer op een elektromagnetisch krachtenveld tussen de elektronenwolken van de buitenste atoomlagen.  Zwaartekracht is een ander voorbeeld waarbij elke massa rond zich een zwaartekrachtveld creëert waarmee ze op elke andere massa een kracht uitoefent die evenredig is met haar eigen massa en het kwadraat van de afstand tussen de massa's.

Via een kracht kan arbeid uitgevoerd worden. Dat is de mate waarin de kracht zorgt voor een verandering van de energie-inhoud van een lichaam of een systeem.  Energie is namelijk een zogenaamde 'toestandsgrootheid'.  Een lichaam of een systeem bevindt zich in een bepaalde energie-toestand, bezit een bepaalde hoeveelheid energie. Energie wordt uitgedrukt in Joule (1 J = 1 N x m = 1 kg x m² / s²), dus 1 Joule is de energie nodig om een object met een kracht van 1 Newton te verplaatsen over een afstand van 1 meter. Anders gezegd is het de kinetische energie die een massa van 1 kilogram bezit als ze 1 meter per seconde aan snelheid heeft. Energie kan omgezet worden van de ene soort in een andere soort of kan overgedragen worden van het ene lichaam/systeem op een ander, maar de totale hoeveelheid energie is steeds constant. De totale energie-inhoud van het universum is dus constant (in klassieke fysica).  Een voorbeeld is een massa die op een hoogte h boven de grond gehangen wordt met een touw.  Die massa bevindt zich in het zwaartekrachtsveld van de aarde en ondervindt een even grote trekkracht in tegengestelde richting vanuit het touw.  De massa bezit een hoeveelheid potentiële energie doordat ze zich op een hoogte h bevindt.  Als het touw doorgeknipt wordt, zal het lichaam vallen, waardoor de hoogte verkleint (minder potentiële energie), maar de snelheid verhoogd (meer kinetische energie).  Netto blijft de energie-inhoud hetzelfde.  Als het lichaam op de grond terecht komt kunnen er omzettingen volgen in elastische energie, warmte-energie (via wrijving), etc.  Uiteindelijk lijkt de energie voor ons verloren gegaan als de massa tot stilstand komt, maar deze is enkel omgezet in kleine temperatuursverhogingen van de massa, de lucht, de grond, etc.

Als we een systeem met een bepaalde energie-inhoud zijn energie laten afgeven aan een ander systeem, kunnen we dat met verschillende snelheden doen.  Zo kunnen we een auto laten versnellen door chemische energie (in de brandstof) om te zetten in kinetische energie (snelheid) en de auto in 10 seconden tot 100 km/h op te laten trekken. We kunnen echter ook de auto van een kleine helling laten rijden en zo potentiële energie omzetten in kinetische energie en de auto in 1000 seconden tot 100km/h versnellen.  In beide gevallen hebben we precies evenveel energie bezorgd aan de auto, maar in het eerste geval hebben we dat met een veel groter vermogen gedaan: 100 keer groter dan in het tweede geval.  Vermogen is dus de hoeveelheid energie die per seconde omgezet wordt en wordt uitgedrukt in Watt (1 W = 1 J/s).  Er wordt ook wel eens gezegd de hoeveelheid energie die 'verbruikt' wordt per seconde, maar zoals eerder gezegd wordt energie enkel omgezet van de ene vorm in de andere.  Vaak van een bruikbare vorm (bv. elektrische energie) in een veel moeilijker bruikbare vorm (bv. warmte-energie).  Daarom kost het moeite om die warmte-energie weer om te zetten in een bruikbare vorm en gaat zoiets altijd gepaard met verliezen en spreken we van het 'verbruiken' van energie.

In het onderwerp van je vraag stel je dat 'energie het vermogen is om...'.  In die zin is het woord 'vermogen' niet hetzelfde als het woord 'vermogen' in de zin 'vermogen is de hoeveelheid energie omgezet per seconde'. Energie is de eigenschap die een massa bezit die het toelaat om arbeid te leveren (het vermogen om arbeid te leveren). Het vermogen waarmee die arbeid geleverd wordt is de snelheid waarmee de energie omgezet wordt van de ene vorm in de andere (bv. 2000 Joule aan elektrische energie wordt elke seconde omgezet in warmte-energie in een elektrische kachel met een vermogen van 2000 Watt).

Reacties op dit antwoord

  • 12/08/2019 - Evert (vraagsteller)

    Sven, dank voor je grondige antwoord. Blijft voor mij bestaan dat energie een kracht is, een grootheid die voor verplaatsing kan zorgen en daarmee een momentum en ruimte creeƫrt. Zeg ik dat goed? Resteert voor mij de vraag over de aard van die 'toestandsgrootheid'. Is het zo dat alles (materie) zich in een kennelijk te destabiliseren toestand bevindt? M.a.w. Potentieel energierijk is. Of gooi ik de boel nu door elkaar? Dank vast voor je moeite om een leek in het goede spoor te leiden.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Beantwoord door

Dr. Sven Van den Berghe

Nucleaire materiaalkunde Microscopie Kernenergie Radioactiviteit

SCK-CEN
Boeretang 200, 2400 Mol
http://www.sckcen.be

Zoek andere vragen

© 2008-2019
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen