Een voorbeeld is een bloempot die van het balkon valt. Deze heeft voor de val zwaarte-energie. Tijdens de val wordt deze energie omgezet in bewegingsenergie en -omdat er wrijving met de lucht is - ook in warmte.
Geordende en ongeordende energie
Er is een indeling te maken in “geordende” en “ongeordende” energie. De
bewegingsenergie van een auto is geordend in de zin dat alle atomen van de auto zich in
dezelfde richting verplaatsen, namelijk de richting waarin de auto rijdt. Je kijkt nu op
alledaagse schaal en niet naar de atomen waaruit de auto is samengesteld.
Warmte
daarentegen is ongeordende energie. Warmte is in feite niets anders dan de optelsom van
de bewegingsenergieën van atomen. De atomen of moleculen bewegen zich op een
willekeurige manier. In een ijsblokje trillen ze, maar in verschillende richtingen want
het ijsblokje verandert niet van plaats. Ook in stilstaand water of in een gas is er
beweging van deeltjes, maar nooit gaan alle deeltjes dezelfde richting uit.
Vanzelfsprekend bewegen de atomen ook in een rijdende auto, maar tegelijkertijd worden
alle atomen in één richting verplaatst.
Wet van behoud van energie
Voor energie - van welke soort dan ook - geldt een belangrijke wet: energie gaat nooit verloren.
- Energie kan worden omgezet van de ene vorm in de andere, maar verdwijnt niet.
- De som van alle energieën verandert niet.
De wet van behoud van energie wordt ook wel de eerste hoofdwet van de
thermodynamica genoemd. Thermodynamica is een onderdeel van de natuurkunde en betekent
letterlijk de beweging van warmte.
Deze wet geeft aan of gebeurtenissen, waarbij
energie wordt omgezet, mogelijk zijn of niet. Een omzetting van de ene energiesoort naar
de andere is alleen mogelijk als daarbij de som van alle soorten energie constant
blijft. Energie gaat nooit verloren, maar er komt ook nooit zo maar energie bij.
Een alledaags voorbeeld hiervan is een stuiterende bal. Op het moment dat je de bal
stil boven de grond vasthoudt heeft de bal zwaarte-energie vanwege zijn afstand tot de
aarde. Tijdens het vallen wordt deze zwaarte-energie omgezet in bewegingsenergie en
warmte. Tijdens het stuiteren zelf wordt de bewegingsenergie gedeeltelijk omgezet in
vervorming van zowel de bal als de vloer en in geluid. Na het stuiteren wordt de
overgebleven bewegingsenergie omgezet in zwaarte-energie want de afstand tot de aarde
neemt weer toe. Deze omzettingen blijven doorgaan totdat de bal stil op de grond ligt.
Het lijkt dan dat de energie die de bal had, is verdwenen, maar de energie is slechts
omgezet in andere vormen van energie, in dit geval vooral warmte. Een heleboel processen
is goed te begrijpen als je een “energiebril” opzet.
Bij het toepassen van de wet van behoud van energie is het van belang onderscheid te maken tussen het systeem en de omgeving. In bovenstaand voorbeeld neemt, na een aantal keren stuiteren, de energie van het systeem, de bal, af tot nul, de energie van de omgeving neemt echter toe: de lucht en de vloer stijgen in temperatuur. De energie van bal plus omgeving blijft echter gelijk.
Energieverspilling
Er wordt vaak gezegd: “we moeten zuinig zijn met energie”. Er wordt dan bedoeld dat energie die goed bruikbaar is, zoals de chemische energie aanwezig in aardgas, opraakt. Bij verbranding van aardgas wordt de chemische energie omgezet in warmte. Daarbij verandert de totale hoeveelheid energie niet, echter wel de vorm. De warmte verspreidt zich over een groot gebied en kan niet weer, in zijn geheel, opnieuw gebruikt worden om bijvoorbeeld een automotor te laten werken. Je kunt dus niet zeggen dat er energie wordt verspild, want de totale hoeveelheid energie verandert niet, maar wel kun je vaststellen dat nuttige, goed bruikbare energie omgezet wordt in nutteloze, niet bruikbare energie.
Mission: impossible
Het bijzondere is dat er processen zijn die volgens de wet van behoud van energie
zonder meer plaats zouden kunnen vinden en toch komen ze in de natuur niet voor. Dit
heeft te maken met entropie, de mate van chaos. Warmte blijkt een bijzondere vorm te
zijn van energie.
Warmte stroomt nooit van een lagere temperatuur naar een hogere temperatuur.
Als het bovenstaande niet zou gelden, kan het betekenen dat een kopje met lauwe
thee met een temperatuur van 37 ºC, dat wordt neergezet in een kamer met een temperatuur
van 20 ºC, opgewarmd zou kunnen worden tot bijvoorbeeld 70 ºC door warmte aan de kamer
te onttrekken. De kamer koelt dan af, omdat er warmte uit de kamer richting het kopje
gaat. De thee stijgt in temperatuur en de kamer daalt in temperatuur; het
temperatuurverschil neemt toe. Dit alles zou mogelijk zijn zonder dat de totale
hoeveelheid energie van kopje en kamer samen verandert.
In werkelijkheid gebeurt
alleen het omgekeerde: er gaat warmte van het kopje thee naar de kamer totdat de
temperatuur van het kopje gelijk is aan die van de kamer.
De vraag is nu: welke wet verbiedt dan dat warmte van lagere naar hogere temperatuur gaat? Deze vraag beantwoorden we door te kijken naar wat precies warmte en wat precies temperatuur is.
