Energie – 'n vereiste vir oorlewing en welvaartskepping | KragDag Gemeenskap
Stel jou die wêreld sonder enige energie voor. Dit is donker, koud, en doodstil. Geen beweging nie! 'n Fisiese lewe in só 'n wêreld is doodeenvoudig nie moontlik nie!
'n Motor sonder brandstof is nutteloos. Slegs deur brandstof in die motor te gooi – deur energie aan die motor te verskaf – kan die motor sinvol benut word.
Ons menslike bestaan is afhanklik van energie om werk te kan doen, om só ons lewensonderhoud te bewerkstellig en in stand te hou. In die tye voor die industriële revolusie van die 1750's was mense se energiebehoeftes minder omvangryk as wat dit vandag is. Energiebronne was beperk tot die son, voedsel vir mens en dier, asook hout, gras, veen en steenkool. Die son het mense warm gemaak en groeikrag aan plante verskaf. Diere is gebruik om lande te bewerk, mense en goedere te vervoer en om werk te doen soos om koring te maal. Diere het ook energie in die vorm van voedsel aan mense verskaf. Mense het self baie fisiese werk gedoen. Hout- en steenkoolvure is gebruik vir verhitting en om kos te maak, as ligbron en om smelt- en smeewerk te doen. Plantaardige en dierlike olies is gebruik in lampe en kerse om lig te maak. Masjiene en toestelle wat beskikbare energiebronne in meer nuttige vorme van energie, soos beweging en lig omgesit het, was uiters kru en baie beperk. Soos kennis egter vermeerder en tegnologie ontwikkel het, is wind en watervloei as energiebronne ingespan om werk te doen. Water- en windaangedrewe meulens het koring gemaal en met seilskepe kon nuwe ontdekkingstogte onderneem word en nuwe handelsroetes oopgemaak word.
'n Ontwikkelingskenmerk van samelewings en beskawings is dat energiebeskikbaarheid asook die vermoë om daardie energie te benut, tegnologiese ontwikkeling kon aanwakker of inhibeer. Prof Willie Cronje het tydens die 2018 KragDagpaneelbespreking oor Tegnologie 'n interessante punt gemaak dat Moore se Wet, wat bepaal dat die transistor-digtheid van Geïntegreerde Stroombane (ICs) elke twee jaar sal verdubbel, uiteindelik deur energieoorwegings geïnhibeer sal word. Ons sien dus dat lande, volke en nasies wat toegang tot energie het en dit ook sinvol kan aanwend, meer welvarend is as dié wat nie in daardie posisie is nie.
Die algemene definisie van energie lui dat energie die vermoë is om arbeid te kan verrig. Die eenheid wat vir energie gebruik word is Joule. Energie kom in verskillende vorme voor en die vorme kan onderling met behulp van masjiene en tegnieke in ander vorme omgesit word. Energie in verskillende vorme kan aangewend word om uiteenlopende werk en funksies te verrig. Voertuie kan aangedryf word, kos kan gekook word, onvoorbereide voedsel kan verkoel word, vertrekke kan verhit word en voorwerpe kan belig word.
Vorme en bronne van energie
Breedweg word die verskillende energievorme as twee hoofgroepe gekategoriseer naamlik potensiële (gestoorde) energie en kinetiese (werkende) energie. Potensiële energie is gestoorde energie of energie vanweë 'n voorwerp se posisie. Kinetiese energie is opgesluit in die beweging van golwe, elektrone, atome, molekules, vloeistowwe, gasse en voorwerpe.
Chemiese energie is energie wat gestoor word in die chemiese verbinding tussen atome en molekules. Wanneer hout aan die brand gesteek word, verbind die molekules waaruit die hout bestaan met suurstof om koolstofmonoksied te vorm, terwyl 'n groot hoeveelheid termiese energie in die vorm van hitte vrykom. 'n Ander voorbeeld is voedsel, deur die menslike liggaam ingeneem, wat omgesit word in koolstofdioksied (koolsuurgas), hitte en bewegingsenergie. Die bronne waaruit chemiese energie verkry word sluit onder andere in elektro-chemiese batterye, biomassa (soos gras, hout, biogas en biobrandstowwe), petroleum, natuurlike gas en steenkool.
Meganiese energie, ook genoem elastiese energie, is energie wat in 'n voorwerp gestoor word by wyse van meganiese spanning. Energie word toegevoeg as opwenhorlosies en -speelgoed opgewen word. Gewoonlik word die elastiese energie later omgesit in bewegingsenergie. Bronne vir hierdie energievorm is saamgedrukte of uitgerekte vere (springs) en rekke.
Drukenergie, word aan 'n gassilinder toegevoeg wanneer 'n gas daarin gepomp word. Hierdie gas kan, wanneer dit vrygelaat word, gebruik word om slyp-, hamer-, beitel- en wringwerk te doen. Meeste gasse kan met behulp van 'n kompressor in 'n silinder saamgedruk word. 'n Belangrike gebruik van hierdie energievorm is die stoomenjin, wat die eerste Industriële Revolusie ingelei het. Water word met behulp van chemiese energie in 'n drukketel tot stoom verhit wat dan aangewend word om suiers heen-en-weer te laat beweeg.
Kernenergie is energie wat in die kerne van atome opgesluit is. Geweldige hoeveelhede energie kan ontsluit word wanneer atoomkerne versmelt word (kernfusie) of wanneer kernsplyting (kernfissie) plaasvind.
'n Kunstenaarsvoorstelling van Voyager
Radio-aktiewe verval is nog 'n derde proses waardeur kernenergie vrygestel kan word. Op 20 Augustus 1977 is Voyager 2, 'n ruimtetuig van 722kg deur NASA gelanseer om die sonnestelsel en uiteindelik die ruimte buite die sonnestelsel te verken. Die kragbron, wat al die aanboord-instrumente aandryf, is 'n kernenergiestelsel wat hitte by wyse van radio-aktieweverval opwek waarna 'n termo-elektriese omsetter die hitte in elektrisiteit verander. Radio-aktiewe plutonium-oksied, met 'n half-leeftyd van 87,7 jaar, het ongeveer 470 watt elektriese drywing ten tye van die lansering opgewek. Na meer as 43 jaar is Voyager 2 steeds operasioneel en in radiokontak met NASA se Diepruimte-netwerk.
Uranium en plutonium is kernenergiebronne wat in kernreaktors vir fissiereaksies gebruik word. Fusiereaksies gebeur wanneer waterstofkerne (deuterium of swaarwaterstof, 'n waterstof-isotoop) teen mekaar vasgedryf word om 'n swaarder atoom (helium) te vorm. In beide fusie- en fissiereaksies word groot hoeveelhede stralings- en termiese energie vrygestel. Vrygestelde termiese energie word dan benut om water te verhit ten einde stoomturbines vir elektrisiteitsopwekking aan te dryf.
Kernfusie is die proses wat in die son plaasvind, maar hierdie proses kon nog net met gedeeltelike sukses op aarde uitgevoer word.
Vir my was dit nogal 'n verrassing om uit te vind dat geotermiese energie, wat hitte diep ondergronds veroorsaak, afkomstig is van die radio-aktieweverval van elemente soos uraan en thorium – oorblyfsels uit die tyd toe die aarde oorspronklik gevorm is.
Gravitasie-energie word in voorwerpe gestoor as gevolg van die hoogteposisie en massa van daardie voorwerp. Hoe hoër die voorwerp se posisie en hoe swaarder die voorwerp is, hoe meer gravitasie-energie kan gestoor word. Kinetiese energie in die vorm van bewegingsenergie is nodig om die voorwerp na 'n hoër posisie te beweeg. Netso, wanneer die voorwerp na 'n laer posisie beweeg, kom bewegingsenergie spontaan vry. Gravitasie-energie kan net so ook in vloeistowwe gestoor word. 'n Voorbeeld van 'n gravitasie-energiebron is 'n hooggeleë waterdam waaruit water vrygelaat word om deur 'n waterturbine te vloei en sodoende hidro-elektrisiteit op wek. 'n Ander interessante gravitasie-energiebron is in 'n KragDagartikel bespreek. 'n Swaar spoortrok word na 'n groter hoogte met behulp van oorskotenergie beweeg om later, indien nodig, weer herwin te kan word. Nog 'n gravitasie-energiebron is die benutting van die verandering van getye vanweë die gesamentlike invloed van die son en maan se gravitasievelde op die aarde.
Stralingsenergie is elektro-magnetiese energie wat met 'n transversale golfbeweging beweeg wat dit moontlik maak dat die golf nie 'n medium nodig het om in voort te beweeg nie. So 'n golf kan dus deur 'n lugleegte beweeg. Stalingsenergie sluit radiogolwe, mikrogolwe, infra-rooistrale, sigbare lig, ultra-violetstrale, x-strale, en gammastrale in. Die son is ons belangrikste bron van stralingsenergie en is onontbeerlik vir ons bestaan hier op aarde.
Termiese energie, wat ons as hitte waarneem, is die gevolg van die beweging van atome en molekules in vaste stowwe, vloeistowwe en gasse. Soos hitte toeneem, beweeg hierdie atome en molekules al vinniger. Met die toename in termiese energie kan 'n stof van toestand verander – dit kan van 'n vaste stof na 'n vloeistof en na 'n gas verander. Deur byvoorbeeld termiese energie toe te voeg aan water kan dit in stoom verander, wat onder druk 'n stoomenjin of stoomturbines kan aandryf om arbeid te verrig of om elektrisiteit op te wek. Bronne vir termiese energie is uiteraard straling van die son, maar ook geotermiese energie.
Bewegingsenergie is die energie wat in bewegende voorwerpe opgesluit lê. Hoe vinniger die voorwerp beweeg en hoe swaarder dit is, hoe meer kinetiese energie besit daardie voorwerp. As 'n voorwerp met 'n hoë bewegingsenergie vertraag word, word hierdie energie aan die omgewing vrygestel. Voorbeelde van bewegingsenergiebronne is wind, vloeiende water, seedeinings en seestrome.
Elektriese energie toon kinetiese sowel as potensiële energie-eienskappe. 'n Elektriese stroom wat deur geleiers beweeg besit kinetiese energie om arbeid te verrig. Sodra 'n kapasitor elektries gelaai word het daardie kapasitor die vermoë om energie te berg vir latere gebruik. In hierdie geval vertoon elektrisiteit dus potensiële energie-eienskappe.
Elektriese energie is dus 'n uiters nuttige energievorm aangesien dit so veelsydig aangewend kan word deur energie op te wek en ook deur verskillende energievorme ván en ná elektriese energie om te skakel. Dan het groot kapasitore, (superkapasitore) ook deesdae die vermoë om 'n beduidende hoeveelheid elektriese energie te kan stoor.
Klankenergie word ook in die literatuur aangedui as 'n energievorm. Alhoewel klank 'n baie nuttige medium is speel dit egter nie 'n baie groot rol in die opwekking en omsetting van energie nie.
In 'n wêreld met soveel klankbesoedeling dink ek dat stilte inderdaad ook 'n groot bron van energie is!
Omskakeling van energievorme en die behoud van energie
Veral twee energie-eienskappe is rondom die praktiese benutting van energie baie belangrik. Die eerste is dat energie volgens die Wet van die Behoud van Energie, ook bekend as die Eerste Wet van Termodinamika, nie geskep of vernietig kan word nie. In 'n geslote stelsel bly die totale energie in die stelsel altyd dieselfde. Hierdie beginsel is tot die som van energie en massa uitgebrei toe Albert Einstein het in die begin van die 20ste eeu aangetoon dat massa, dit wil sê materie, ook 'n vorm van energie is. Die verband tussen energie en massa word deur seker die beroemdste fisika vergelyking, E=mc² aangedui.
Die tweede eienskap is dat energie, ongeag die vorm of die bron daarvan, in 'n ander vorm van energie omgesit kan word. Wanneer ons energie benut verdwyn die energie nie net bloot in die niet nie. Energie word omgeskakel van een vorm na 'n ander energievorm. Trouens, die enigste manier waarop ons energie kan benut is om dit na 'n ander vorm van energie om te skakel. Ons kan enkele voorbeelde noem:
Wanneer jy jou hande warm vryf – Bewegingsenergie van die arms word deur wrywing op die vel na termiese energie omgeskakel.
Jy gebruik 'n batteryflitslig – Chemiese energie van die battery word omgeskakel na elektriese energie wat in die gloeilamp of LED-lamp omgeskakel word in stralingsenergie.
Jy benut 'n dieselkragopwekker – Chemiese energie van diesel word deur die dieselenjin omgesit na roterende bewegingsenergie, wat deur 'n elektrisiteitsopwekker na elektriese energie verander word.
Plante wat buite groei – Stralingsenergie vanaf die son word deur die proses van fotosintese in chemiese energie omgesit.
'n Sonkragstelsel – Stralingsenergie vanaf die son word deur die sonpaneel na elektriese energie omgesit. Indien die elektriese energie in batterye geberg word, word dit na chemiese energie omgeskakel.
In die omskakelingsproses tussen energievorme moet ingedagte gehou word dat energie-omskakelings nooit volledig doeltreffend is nie. Met energiedoeltreffendheid word bedoel die verhoudingspersentasie van die nuttige energie-uitset tot die totale energie-inset. In die praktyk word die aanvanklike energievorm se energie-inhoud omgeskakel in 'n hoeveelheid nuttige energie tesame met 'n hoeveelheid nuttelose energie – ook energieverliese genoem. Dit is egter nie 'n weerspreking van die Wet van Energiebehoud nie omdat die nuttige energie plus die verliese presies gelykstaande sal wees aan die energie-inset.
Die omsetting van verskillende energievorme se doeltreffendhede verskil. So is die doeltreffendheid van 'n petrolenjin omtrent 20% tot 35%. Dit beteken dat slegs 20% tot 30% van die brandstof se chemiese energie vir nuttige arbeid gebruik kan word. Die res van die energie is energieverliese – hoofsaaklik in die vorm van hitte of termiese energie. Daarteenoor is die doeltreffendheid van 'n elektriese generator wat roterende bewegingsenergie na elektriese energie omskakel ongeveer 95%. Fotosintese, die proses om stralingsenergie na chemiese energie om te skakel se doeltreffendheid is tussen 0,1% tot 2% en die doeltreffendheid van die omskakeling van chemiese energie (glukose) na bewegingsenergie in 'n spier is tussen 14 en 27%.
Ons het gesien dat energievorme in twee hoofgroepe verdeel kan word naamlik potensiële energie en kinetiese energie. Energie het ook die nuttige eienskap dat dit gestoor kan word nadat kinetiese energie na potensiële energie omgesit is. Die nuttige aanwending van energie om drywing te lewer word sodoende uitgestel. Dit stel ons ook in staat om energie te vervoer en te verkoop.
Nie-hernubare en hernubare energiebronne
'n Meer onlangse kategorisering van energiebronne maak onderskeid tussen hernubare en nie-hernubare energiebronne. Nie-hernubare energiebronne is bronne wat beperk voorkom, wat oor baie jare gevorm is en wat nie in 'n mens se leeftyd vervang kan word nie. Oorblyfsels van dié energiebronne na omskakeling en benutting is vuil en sleg vir die omgewing. Die meeste energiebronne wat vandag benut word is steeds nie-hernubaar en sluit in ru-olie, steenkool, natuurlike gas asook kernenergie wat deur uraan opgewek is.
Hernubare energiebronne is enige natuurlike energiebron wat vinnig en betroubaar vervang kan word. Hierdie energiebronne is volop, volhoubaar, aanvulbaar en is nie-skadelik vir die omgewing. Dit kan aangevul en gedurende 'n mens se leeftyd vervang word. Voorbeelde van hernubare energiebronne sluit in sonenergie, windenergie, geotermiese energie, oseaanenergie opgewek deur middel van seedeinings, getye en seestome, hidro-elektriese energie asook biomassa-energie van plante.
arbeidBehoud van Energiebewegingsenergiechemiese energiedrukenergiedrywingelektriese energieenergieenergiebronneenergievormgravitasie-energiehernubare energieJoulekernenergiekernfissiekernfusiekinetiese energieklankenergiemeganiese energienie-hernubare energiepotensiële energieradio-aktiewe vervalstralingsenergietermiese energieVoyager 2