Energie

Hierdie artikel gaan oor die wetenskaplike konsep. Die gebruik van energie deur die mensdom word in ander artikels bespreek.

Energie, algemeen en kwalitatief gesproke, is die eienskap (of die hoeveelheid van daardie eienskap) waardeur die doen van dinge of die verskaffing van krag moontlik gemaak word. Die uitdrukkings "energie" en "krag" word soms foutiewelik as sinoniem gebruik, maar dit het verskillende betekenisse op beide die wetenskaplike en nie-wetenskaplike gebiede. Fisika poog om die eienskap kwantitatief te beskryf en gee daaraan 'n definisie wat dit moontlik maak om energie as 'n beskrywing van 'n algehele toestand te beskou en die verskillende maniere waarop werk verrig word, word deur hierdie benadering verenig.

Energie is 'n fundamentele hoeveelheid wat elke fisiese stelsel besit; dit laat ons toe om te kan voorspel tot hoeveel werk die stelsel in staat is, of hoeveel warmte dit kan uitruil. In die verlede is energie bespreek in terme van maklik waarneembare uitwerkinge wat dit op die eienskappe van voorwerpe of veranderinge in toestand van verskeie stelsels gehad het. Basies kan die gevolgtrekking gemaak word dat as iets verander, daar een of ander soort energie betrokke was in daardie verandering. Toe mense besef het dat energie in voorwerpe gestoor kan word, is die gedagte van energie uitgebrei om die potensiaal vir verandering asook die verandering self in te sluit.

Hierdie uitwerkinge (beide potensieel en verwesenlik) kom in baie verskillende vorms voor; voorbeelde is elektriese energie wat in batterye gestoor is, die chemiese energie wat in 'n stukkie kos gestoor is, die termiese energie van 'n warmwaterverwarmer, of die kinetiese energie van 'n bewegende trein. Om energie eenvoudig as verandering of die potensiaal vir verandering te definieer veroorsaak egter dat baie voorbeelde van energie soos dit in die fisiese wêreld bestaan uitgelaat word. Energie kan nie slegs gebruik word om sigbare veranderinge teweeg te bring nie, maar kan ook gebruik word om veranderinge te keer, in welke geval waarneming van hierdie soort energie sonder hulpmiddels baie moeilik is. As mens byvoorbeeld na 'n standbeeld kyk wat 'n 50 kilogram gewig vashou is die teenwoordigheid van energie wat nodig is om dit moontlik te maak nie so voor die hand liggend nie. As mens self egter 'n 50 kilogram gewig vashou dan is die noodsaaklikheid vir energie dadelik duidelik! Mens kan die swaartekrag se uitwerking op jou voel wanneer jy die gewig beweeg en wanneer jy dit nie beweeg nie. Energie kan geredelik omgeskakel word vanaf een vorm na 'n ander; 'n mens kan byvoorbeeld chemiese energie in 'n battery omskakel na termiese energie deur die battery aan 'n elektriese verwarmer te koppel. In die voorbeeld van die gewig word die kinetiese energie van beweging omgeskakel na potensiële energie. As mens die gewig sou laat val word die potensiële energie weer omgeskakel na kinetiese energie as gevolg van die uitwerking van swaartekrag wat die gewig laat versnel. Die wet van die behoud van energie bepaal dat tydens hierdie omskakelings die hoeveelheid energie altyd dieselfde bly. Die begrip van energie is 'n kragtige beginsel in fisika en om die geldigheid daarvan te verseker het wetenskaplikes verskeie addisionele energievorme gedefinieer wat nie so maklik gemeet kan word deur die waarnemer sonder hulpmiddele nie.

Eenhede

SI- en verwante eenhede 
Die SI-eenheid vir beide energie en werk is die joule (J), ter ere van James Prescott Joule en sy eksperimente oor die meganiese ekwivalent van warmte. Afgebreek na meer fundamentele eenhede is 1 joule gelyk aan 1 newton·meter en in SI-basiseenhede is 1 J gelyk aan 1 kg m2 s−2.

'n Energie-eenheid wat in partikelfisika gebruik word is die elektronvolt (eV). Een eV  is gelyk aan 1,602176462×10−19 J.

(Neem kennis dat wringkrag dieselfde eenhede as energie het. Die energie wat nodig is om 'n draai van een radiaal uit te voer by 'n wringkrag van een Joule is een Joule. Eintlik is die eenheid van wringkrag dus 'Joule/rad' maar rad is dimensieloos).

Ander eenhede van energie 

In cgs-eenhede is een erg gelyk aan 1 g cm2 s−2, gelyk aan 1,0×10−7 J. Die Britse eenhede/VSA eenhede vir beide energie en werk is die voet-pond, en een voet-pond is ongeveer 1,3558 J.

Die energie-eenheid wat gebruik word vir alledaagse elektrisiteitmeting is die kilowatt-uur (kW h), en een kW h is gelyk aan 3,6×106 J  (3600 kJ of 3,6 MJ).

Die kalorie word meestal gebruik in voeding en is gelyk aan die hoeveelheid warmte benodig om die temperatuur van een gram water met 1 graad Celsius te laat styg, teen 'n druk van 1 atmosfeer. Die hoeveelheid warmte hang so 'n bietjie af van die begintemperatuur van die water, wat tot gevolg het dat daar verskeie eenhede is wat die naam kalorie dra maar effe verskillende waardes het. Dit is ongeveer gelyk aan 4,186 J.

Oordrag van energie

Werk 
Werk is 'n maatstaf van die energie wat verbruik word om 'n krag oor 'n sekere afstande uit te oefen. Indien die krag nie verander oor 'n sekere weg nie, is in die een-dimensionele geval die energie wat nodig is:

 Energie = krag x verplasing
 

In drie dimensies moet mens reken met die rigtinge van die beweging en die krag en word f.x 'n vektorproduk.

Indien die krag veranderlik is, word die energie  wat vereis word, gegee deur die integraal:

 

waar  die grootte van die toegepaste krag is as 'n funksie van die afstand  wat beweeg is.

Energie word nooit verloor nie, net omgeskakel in 'n andere vorm. Nie alle energie in 'n stelsel sal egter in 'n herwinbare vorm gestoor word nie: energie kan byvoorbeeld omgeskakel word na warmte wat dan nie weer omgeskakel kan word na 'n ander bruikbare energievorm nie. In die praktyk kan die hoeveelheid beskikbare energie vir die uitvoering van werk baie minder wees as die totale hoeveelheid energie in 'n stelsel.

Warmte 
Warmte is 'n hoeveelheid energie wat normaalweg gekoppel word met 'n verandering in temperatuur of in 'n verandering in die fase van materie. In chemie is warmte die hoeveelheid energie wat geabsorbeer of vrygestel word deur 'n gegewe chemiese reaksie.

Die verhouding tussen warmte en energie is soortgelyk aan die verhouding tussen werk en energie. Warmte vloei vanaf areas met hoë temperature na areas waar die temperatuur laer is. Alle voorwerpe (materie) het 'n sekere hoeveelheid interne energie wat verband hou met die willekeurige beweging van hulle atome of molekules. Die interne energie is direk proporsioneel tot die temperatuur van die voorwerp. Wanneer twee liggame van verskillende temperature in termiese kontak kom, ruil hulle interne energie uit totdat die temperatuur dieselfde in albei liggame is. Die hoeveelheid energie oorgedra is die hoeveelheid warmte wat uitgeruil is. Warmte en interne energie word dikwels met mekaar verwar, maar daar is 'n verskil: die verandering van die interne energie is die warmte wat die omgewing met die stelsel uitruil  plus die werk wat deur die omgewing op 'n stelsel uitgeoefen word.

Behoud van energie 
Die eerste wet van termodinamika bepaal dat die totale invloei van energie in 'n stelsel in, gelyk moet wees aan die totale uitvloei van energie uit die stelsel uit plus die verandering van die energie wat die stelsel bevat. Hierdie wet word gebruik in alle vertakkinge van fisika. Noether se teorie stel die verband tussen die behoud van energie en die tydsonveranderlike aard van die wette van fisika.

Kinetiese energie 
 Hoofartikel: Kinetiese energie.

Kinetiese energie is die gedeelte van energie wat verband hou met die beweging van 'n voorwerp.

 

Die vergelyking hierbo bepaal dat die kinetiese energie () gelyk is aan die integraal van die puntproduk van die snelheid () van 'n voorwerp en die infinitesimaal van die voorwerp se momentum ().

Vir nie-relatiwistiese snelhede, dit wil sê snelhede wat baie kleiner is as die spoed van lig, kan ons die Newtoniese benadering gebruik:

 

waar
 Ek die kinetiese energie is
 m die massa van die voorwerp is
 v die snelheid van die voorwerp is

Nader aan ligsnelhede gebruik ons die relatiwistiese vergelyking:

 
 

waar
 v die snelheid van die voorwerp is
 m die massa is wanneer die voorwerp in rus verkeer
 c die spoed van lig in 'n vakuum is, wat ongeveer gelyk is aan 300 000 kilometer per sekonde
  die totale energie van die liggaam is
  die rusmassa energie is

In die vorm van 'n Taylorreeks, kan die relatiwistiese vergelyking geskryf word as volg:

 

Dit kan gesien word dat die tweede hoër orde terme in die reeks ooreenkom met die onakkuraatheid van die Newton benadering vir kinetiese energie relatief tot die relatiwistiese vergelyking. Dit kan gesien word dat hierdie onakkuraatheid baie klein is teen lae snelhede aangesien die tweede term baie na aan nul is.

Potensiële energie 
Terwyl kinetiese energie die deel van 'n stelsel se energie is wat met beweging verbind word, is potensiële energie die energie van 'n stelsel wat met die ruimtelike rangskikking van 'n stelsel se komponente en hul wisselwerkings met mekaar verbind word. 

In 'n geïsoleerde stelsel wat bestaan uit twee voorwerpe in rus op die x-as wat 'n krag  op mekaar uitoefen, word die potensiële energie algemeen gedefinieer as:

 

waar die krag tussen die voorwerpe slegs met afstand  varieer en daar langs die lyn, wat die twee voorwerpe koppel, af geïntegreer word. 

Om die verwantskap tussen krag en potensiële energie verder te illustreer, kan ons dieselfde stelsel met twee voorwerpe op die x-as beskou. As die potensiële energie as gevolg van een van die voorwerpe op enige punt ,  is, dan kan die krag op daardie voorwerp  uitgedruk word as:

 

Hierdie verwantskap demonstreer dat die krag tussen voorwerpe in die rigting van afnemende potensiële energie is, en dat die grootte van die krag proporsioneel is aan die mate waartoe die potensiële energie afneem. 'n Groot krag word geassosieer met 'n groot afname in potensiële energie, terwyl 'n klein krag geassosieer word met 'n klein afname in potensiële energie. Neem kennis van hoe die krag op 'n voorwerp geheel en al afhang van sy potensiële energie.

Die twee verwantskappe – die definisie van potensiële energie gebaseer op krag en die afhanklikheid van krag op potensiële energie – wys hoe intiem die begrippe van krag en potensiële energie gekoppel is: as twee voorwerpe nie kragte op mekaar uitoefen nie, dan is daar met ander woorde geen potensiële energie tussen hulle nie. As twee voorwerpe kragte op mekaar uitoefen dan bestaan daar natuurlik potensiële energie in die stelsel en maak dit deel uit van die stelsel se totale energie. Aangesien potensiële energie ontstaan weens kragte, sal enige verandering in die ruimtelike rangskikking van die stelsel, die stelsel se potensiële energie vermeerder of verminder soos die stelsel herrangskik word.

Wanneer 'n stelsel na 'n laer potensiële energietoestand beweeg, word energie vrygestel in 'n vorm of omgeskakel na 'n ander vorm van energie, soos kinetiese energie. Die potensiële energie kan "gestoor" word as swaartekragenergie, elastiese energie, chemiese energie, rusmassa-energie of elektriese energie, maar ontstaan in alle gevalle weens die ruimtelike rangskikking en wisselwerkinge van voorwerpe in sodanige stelsel. Anders as kinetiese energie wat in 'n bewegende voorwerp bestaan, bestaan potensiële energie in enige voorwerp waar daar 'n wisselwerking met 'n ander voorwerp bestaan.

'n Voorbeeld daarvan is dat wanneer 'n massa bo die aarde gelos word dit aanvanklik potensiële energie het vanweë die aantrekking van die swaartekrag van die aarde, wat dan omgeskakel word na kinetiese energie soos die swaartekrag op die voorwerp uitgeoefen word en sy potensiële energie dan verminder soos hy val.

Vergelyking:

Energie = krag × afstand is:

 

Potensiële energie is dan

 

waar m die massa is, g die swaartekragversnelling is en h die hoogte is.

Onthou dat die afwaartse krag wat 'n voorwerp uitoefen agv sy massa is massa × swaartekragversnelling = mg. Hierdie krag is in dieselfde rigting as die "rigting" van die hoogte.

Interne energie 

Interne energie is die kinetiese energie geassosieer met die beweging van molekules en die potensiële energie geassosieer met die rotasie, vibrasie en elektriese energie van atome binne-in molekules. Interne energie is 'n kwantifiseerbare toestandsfunksie van 'n stelsel.

Energie as 'n funksie van toestand 
Energie is 'n eienskap van die toestand van 'n stelsel.

As die stelsel beweeg word tot 'n ander konfigurasie en dan weer terugbeweeg word na die vorige konfigurasie, sal die stelsel weer dieselfde energie hê as voorheen. Hiérvoor om waar te wees, moet al die kragte (of velde) omkeerbaar wees. In die geval van nie-omkeerbare kragte, verloor die wet van die behoud van energie sy belangrikheid. Gewoonlik moet daar dan oorweging geskenk word aan een of ander energiekanaal wat voorheen nagelaat is (soos wrywing) om die onverklaarde verlies aan energie te verduidelik.

Voorbeelde 
'n Voorbeeld van die omskakeling en behoud van energie is die slinger. By sy hoogste punt is die kinetiese energie nul en die potensiële swaartekrag-energie op sy maksimum. By die laagste punt is die kinetiese energie weer op sy maksimum en gelyk aan die verlaging in potensiële energie. As 'n mens onrealisties aanvaar dat daar geen wrywing is nie, dan sal die energie behoue bly in die slinger en sal hy bly swaai tot in lengte van dae.

'n Ander voorbeeld is 'n chemiese ontploffing waardeur die potensiële chemiese energie omgeskakel word na kinetiese energie en warmte in 'n baie kort tydjie.

Berekening van werk/energie/arbeid 

In fisika word energie (of werk of arbeid) bereken deur die krag wat daarop uitgeoefen word maal die afstand. Dit word gemeet in eenhede van Joule.

Let wel dat die krag in die rigting van die afstand toegepas moet word.

In terme van simbole: W = Fx

In terme van eenhede: J = Nm (Joule = Newton.meter)

Voorbeeld:

Indien 'n baksteen van 5 kg, 2 meter hoog opgelig word, wat is die werk verrig?

Antwoord:

Die krag benodig om die baksteen op te lig:
F = ma = 5 kg × 9.81 m/s2 = 49.05 kg.m/s2 = 49.05 N (Newton).

Werk (W) = Fx = 49.05 × 2 = 98.1 Nm = 98.1 J (Joule)

Vergelykings 

krag = massa × versnelling

 Eenhede: N = kg × m/s2

energie = krag × afstand

 Eenhede: J = N × m = kg × m/s2 × m = kg.m2/s2

Sien ook 

 Energiekrisis
 Termodinamika

Bron 
 Einstein, Albert (1952). Relativity: The Special and the General Theory (Fifteenth Edition). ISBN 0-517-88441-0

Eksterne skakels 
 Encyclopedia of free energy 
 What does energy really mean? Vanaf Physics World  
 Renewable Energy Benefits

Verdere leeswerk 
 Feynman, Richard. Six Easy Pieces: Essentials of Physics Explained by Its Most Brilliant Teacher. Helix Book. Sien die hoofstuk "conservation of energy" vir Feynman se verduideliking van wat energie is en hoe 'n mens daaroor moet dink.

Energie
Fisiese hoeveelheid