Energiebesparing en transformatie
Het concept van energiebesparing
Een fundamentele wet die voor alle natuurlijke verschijnselen geldt, vereist het behoud van energie - dat wil zeggen dat de totale energie niet verandert in alle vele veranderingen die in de natuur plaatsvinden. Het behoud van energie is geen beschrijving van welk proces dan ook in de natuur, maar het is eerder een verklaring dat de hoeveelheid die energie wordt genoemd constant blijft, ongeacht wanneer deze wordt geëvalueerd of welke processen - mogelijk inclusief transformaties van energie van de ene vorm naar de andere - ga door tussen opeenvolgende evaluaties.
De wet van energiebesparing wordt niet alleen toegepast op de natuur als geheel, maar ook op gesloten of geïsoleerde systemen binnen de natuur. Als de grenzen van een systeem dusdanig kunnen worden gedefinieerd dat er geen energie wordt toegevoegd aan of verwijderd uit het systeem, dan moet energie binnen dat systeem worden behouden, ongeacht de details van de processen die zich binnen de systeemgrenzen afspelen. Een uitvloeisel van deze gesloten systeemverklaring is dat wanneer de energie van een systeem zoals bepaald in twee opeenvolgende evaluaties niet hetzelfde is, het verschil een maat is voor de hoeveelheid energie die is toegevoegd aan of verwijderd uit het systeem in de tijdsinterval tussen de twee evaluaties.
Energie kan binnen een systeem in vele vormen voorkomen en kan binnen de beperkingen van de behoudswet worden omgezet van de ene vorm in de andere. Deze verschillende vormen omvatten gravitatie-, kinetische, thermische, elastische, elektrische, chemische, stralende, nucleaire en massale energie. Het is de universele toepasbaarheid van het concept energie, evenals de volledigheid van de wet van de instandhouding ervan in verschillende vormen, die het zo aantrekkelijk en nuttig maakt.
Transformatie van energie
Een ideaal systeem
Een eenvoudig voorbeeld van een systeem waarbij energie van de ene vorm in de andere wordt omgezet, wordt gegeven door het gooien van een bal met massa m in de lucht. Wanneer de bal verticaal van de grond wordt gegooid, neemt zijn snelheid en dus zijn kinetische energie gestaag af totdat hij op het hoogste punt tijdelijk tot stilstand komt. Vervolgens keert het zichzelf om en neemt zijn snelheid en kinetische energie gestaag toe naarmate het terugkeert naar de grond. De kinetische energie E k van de bal op het moment verliet de grond (punt 1) werd de helft van het product van de massa en het kwadraat van de snelheid, of 1 / 2 mv 1 2 en daalde geleidelijk tot nul op het hoogste punt (punt 2). Toen de bal in de lucht opsteeg, kreeg hij zwaartekrachtpotentiaal energie E p. Potentieel in deze zin betekent niet dat de energie niet echt is, maar eerder dat ze wordt opgeslagen in een of andere latente vorm en kan worden aangesproken om te werken. Gravitatie potentiële energie is energie die wordt opgeslagen in een lichaam vanwege zijn positie in het zwaartekrachtveld. Er wordt waargenomen dat de potentiële zwaartekrachtenergie van een massa m wordt gegeven door het product van de massa, de bereikte hoogte h ten opzichte van een referentiehoogte en de versnelling g van een lichaam als gevolg van de zwaartekracht van de aarde die eraan trekt, of mgh. Op het moment dat de bal op hoogte h 1 de grond verliet, is de potentiële energie E p1 mgh 1. Op het hoogste punt is de potentiële energie E p2 mgh 2. Door de wet van behoud van energie toe te passen en uit te gaan van geen wrijving in de lucht, vormen deze de volgende vergelijkingen:
In dit geïdealiseerde voorbeeld wordt de kinetische energie van de bal op grondniveau omgezet in werk om de bal omhoog te brengen naar h 2, waar de potentiële zwaartekrachtenergie is verhoogd met mg (h 2 - h 1). Als de bal valt terug naar het maaiveld h 1 Dit gravitatie potentiële energie weer omgezet in kinetische energie en de totale energie bij h 1 is weer 1 / 2 mv 1 2 + mgh 1. In deze reeks gebeurtenissen is de kinetische energie van de bal onveranderd op h 1; dus het werk dat aan de bal wordt gedaan door de zwaartekracht die erop in deze cyclus van gebeurtenissen inwerkt, is nul. Dit systeem zou conservatief zijn.
