Energie

1 1

Onderzoeksvragen

• Hoe komt het eigenlijk dat een voorwerp (of een persoon) arbeid kan leveren?

• Een kracht is de oorzaak van elke verandering van snelheid (of vorm), maar hoe kan die kracht haar werk doen?

• Hoe komt die kracht ... aan haar kracht ?

2

Opmerking

In dit hoofdstuk schrijven we enkel voorwerp, maar wat we bespreken geldt ook voor personen.

3

Herhaling

• Arbeid

:

kracht op een voorwerp

een

verplaatsing.

zorgt voor

• Vermogen

:

geleverde arbeid per tijd.

• Arbeid verrichten: er is een voorwerp dat

de kracht

levert om in te werken op een ander voorwerp.

4

Voorbeeld

Geef voorbeelden van een situatie waarin arbeid geleverd wordt.

5

Onderzoeksvraag

Wat heb je nodig om arbeid te leveren?

6

Voorbeeld 1

Een student zet een boek op de bovenste plank van het boekenschap.

De student levert een kracht om arbeid te verrichten op dat boek.

7

Voorbeeld 2

• Een ploeg die een veld bewerkt • Het is een paard of tractor, die de kracht levert om arbeid te verrichten op de ploeg • Op zijn beurt verricht de ploeg arbeid op de aarde: er is hier sprake van een vevorming .

8

Voorbeeld 3

• Een wagentje op een achtbaan • Het is de ketting (aangedreven door een motor) die de kracht levert om arbeid te verrichten op het wagentje 9

Voorbeeld 4

• Een gewichtheffer • De spierkracht van de gewichtheffer is de kracht nodig om arbeid te verrichten op de gewichten.

10

Besluit

In al deze gevallen bezit een voorwerp een vorm van energie die de mogelijkheid geeft om arbeid te leveren.

11

De voorwerpen die de arbeid leveren: → student → tractor → motor/ketting → gewichtheffer bezitten (chemische potentiële)

energie

, opgeslagen in voedsel of brandstof die omgezet wordt in arbeid. 12

Een voorwerp bezit energie als het in de mogelijkheid is om arbeid om te verrichten.

13

Definitie

Definitie: energie is arbeid in voorraad.

Grootheid Energie Symbool E Eenheid J (joule) 14

Verschillende energievormen

15 15

Verschillende energievormen

Mechanische energie (opgesplitst in twee) Thermische energie (warmte-energie) Stralingsenergie Elektrische energie Chemische energie Kernenergie 16

Mechanische energie

17 17

Mechanische energie

Mechanische energie (opgesplitst in twee): • Potentiële energie • Kinetische energie 18

Potentiële energie

19 19

Vraag 1

• Wie heeft er ooit al aan parachutespringen gedaan?

• Je staat klaar om te springen.

• Lever je arbeid? • Nee. • Heb je de mogelijk om arbeid te leveren? • Ja. • Waarom? 20

• Wanneer je springt, val je naar beneden (zwaartekracht en verplaatsing).

• Je hebt dus de mogelijkheid om arbeid te leveren. Je bezit dus energie. • Want zonder energie kan je geen arbeid leveren. • Waarom kan hij arbeid leveren? • Door de hoogte waarop hij zich bevindt.

21

• Door de hoogte waarop hij zich bevindt is de mogelijkheid ontstaan arbeid te leveren.

• Een ander woord voor mogelijkheid is potentie.

• Men spreekt daarom van potentiële energie (in dit geval:

potentiële energie in het zwaarteveld van de aarde

of

zwaarte energie

) 22

Vraag 2

• We winden een opwindbaar autootje op.

• Levert de auto arbeid? • Nee. • Heeft hij de mogelijkheid om arbeid te leveren?

• Ja. • Waarom? • Als je de auto loslaat, komt hij in beweging.

23

• De auto heeft dus de mogelijkheid om arbeid te leveren. De auto bezit dus energie.

• Waarom kan hij arbeid leveren? • Door de inwendige veer van het autootje op te winden.

• We noemen dit

elastische potentiële energie

.

24

Voorbeeld 1

De halters worden in de lucht gestoken → er wordt arbeid geleverd → plaats halters bepaalt potentiële energie De halters worden niet verplaatst → er wordt geen arbeid verricht → er wordt geen ptentiële energie opgebouwd 25

Voorbeeld 2

• Span een boog door op de pees een kracht uit te oefenen.

• Het geheel boog-pees stelt ons nu in staat arbeid te leveren (een pijl af te schieten).

• Het gaat hier om elastische potentiële energie. 26

Voorbeeld 3

• Een flesje evian op de rand van een lessenaar.

• Het flesje evian is in staat arbeid te verrichten dankzij de hoogte waarop het zich bevindt. • Die arbeid zal zijn: naar beneden vallen (of: zich overgeven aan de zwaartekracht) 27

Besluit

• De voorwerpen zijn in staat arbeid te leveren tengevolge van hun plaats of hun spanningstoestand.

• Men spreekt van

potentiële energie

.

• Al naargelang de situatie spreekt men van potentiële zwaarte-energie (bvb: bij een val) elastische potentiële energie (bvb: veer, boog) 28

Kinetische energie

29 29

Voorbeeld 1

• De wagen is in staat arbeid te verrichten (een afstand afleggen, maar ook: iets kapotrijden) • Dit op basis van zijn snelheid • De wagen bezit dus energie 30

Voorbeeld 2

• Het stromend water doet de watermolen draaien.

• Dit op basis van de stroomsnelheid van het water.

• Het stromend water bezit dus energie.

31

Besluit

Sommige voorwerpen zijn in staat arbeid te leveren door het feit dat ze bewegen.

Men spreekt van

kinetische energie

(bewegingsenergie) 32

Formule potentiële energie

• De arbeid die een voorwerp op een bepaalde hoogte kan leveren, heeft te maken met de hoogte (h) en met de zwaartekracht (F z = mg) • De formule is E pot = mgh 33

Formule kinetische energie

• De arbeid die een voorwerp met een bepaalde snelheid kan leveren, heeft te maken met die snelheid (v) en met de massa (m).

• De formule is E kin = 1/2mv 2 34

Totale mechanische energie

• Elk voorwerp in het zwaarteveld van de aarde bezit een potentiële energie en een kinetische energie.

• We zullen later zien dat die energievormen in sommige omstandigheden nul kunnen zijn.

• De formule voor totale mechanische energie is E = E pot + E kin = mgh + 1/2mv 2 35

Totale mechanische energie

• Bij het belimmmen van de berg zal de E kin van de renner afnemen bij het naderen van de top.

• Op de top zal E pot maal zijn.

maxi • Voorbij de top zal E pot opnieuw toenemen.

weer afnemen en E kin • De totale mechanische energie blijft hierbij even groot: E = E pot + E kin = mgh + 1/2mv 2 36

Behoud totale mechanische energie

• De totale mechanische energie blijft steeds even groot: E = E pot + E kin = mgh + 1/2mv 2 • Met andere woorden: een vermindering in E pot een vermeerdering in E kin zal opleveren, en omgekeerd.

• Men zegt dat de totale mecha nische energie behouden blijft.

• Dit geldt ook voor een voorwerp dat naar boven gegooid wordt en daarna naar beneden valt.

37

Behoud van energie

• Meer over behoud van energie: later.

• De Wet van Behoud van Energie geldt ook in andere situaties: • De Wet van Behoud van Energie geldt ook voor andere energievormen.

38

Energie-omzettingen

39 39

Omzettingen van energievorm

• Warmte: vorm van energie • Warmte → kinetische energie 40

Omzettingen van energievorm

• Elektrische energie: vorm van energie • Elektrische energie → kinetische energie 41

Omzettingen van energievorm

• Chemische energie: vorm van energie • Chemische energie → thermische energie (warmte) 42

Omzettingen van energievorm

• Chemische energie: in brandstoffen, voedsel en in levende wezens • Chemische energie → kinetische energie 43

Omzettingen van energievorm

• Licht: vorm van energie • Stralingsenergie → elektrische energie 44

Behoud van energie

Energie kan niet gecreëerd worden, energie kan niet uit het niets gemaakt worden.

Evenmin kan energie vernietigd worden, energie kan niet verdwijnen.

Het enige dat kan plaatsvinden is een overgang van een bepaalde energievorm in een andere.

45

Behoud van energie

Het enige dat kan plaatsvinden is een overgang van een bepaalde energievorm in een andere.

Omdat we dat niet altijd (objectief) waarnemen, ontstaan er vreemde ideeën rond creatie of vernietiging van energie !

46

Behoud van energie

Het bovenstaande is wel alleen geldig in een afgesloten systeem.

Op onze aarde komt er natuurlijk energie binnen (en dus bij) van de zon.

Net zoals onze aarde energie (warmte, licht) de ruimte instraalt.

47

Behoud van energie

48