onderzoek naar
Energie
Don Herweck
Inhoudsopgave Voorwoord ....................................................................... 3 Wat is energie?.................................................................. 4 Vormen van energie .......................................................... 6 Energiebronnen .............................................................. 10 Energie in de toekomst ................................................... 22 Extra’s Experiment .................................................................... 28 Verklarende woordenlijst................................................ 30 Index .............................................................................. 31
01•012 De weblinks bieden filmpjes, animaties, simulaties of méér informatie.
Gebruik van de links is mogelijk via www.schoolsupport.nl/weblinks. Daar blijven ze ook actueel!
2
Voorwoord Als kleine Kees wilde ik graag astronaut worden en ging dan ook thuis via allerlei chemische proefjes zelf raketbrandstof maken. En dat de keuken in ons ouderlijk huis dat overleeft heeft verbaast me nog steeds. Maar het was duidelijk de liefde voor de scheikunde won het van de liefde voor de sterren. In dit boekje over energie lees je van alles over energie: in het verleden, nu en in de toekomst. En als jullie over een jaar of 25 je eerste huis kopen liggen misschien wel mijn zonnecellen op jullie dak. Al jaren lang doe ik onderzoek naar zonnecellen. De huidige zonnecel is gemaakt van silicium oftewel zand, ik doe onderzoek aan zonnecellen uit plastic. Die wellicht binnen enkele jaren gewoon bij de bouwmarkt te koop zijn. De speurtocht naar deze nieuwe zonnecel is misschien nog spannender dan een reis in de ruimte. Samen met jonge mensen uit de gehele wereld probeer ik iets nieuws uit te vinden wat goed is voor de gehele wereld. Want laat daar geen twijfel over bestaan: we moeten zuinig zijn op onze Aarde. Dit boekje inspireert je wellicht tot een studie waar natuur- en scheikunde belangrijk is. En wellicht ga je dan net als mij werken aan nieuwe energiebronnen. Veel werk is nodig om tot een “groene” Aarde te komen. En daar zijn jullie bij nodig. Kleine Kees droomde over ruimtereizen, jullie kunnen gaan dromen over nieuwe zonnecellen of nog spannender een verf met de eigenschappen van een zonnecel. Je kleding vangt het zonlicht op een je MP3-speler, als die nog bestaat, wordt vanzelf opgeladen. De lak van je nieuwe auto is gevoelig voor zonlicht en de vele accu’s in de auto worden vanzelf opgeladen. En je huis wordt je eigen energie centrale. Zeker weten: jullie krijgen een toekomst! Tot in de wetenschap, Professor Kees Hummelen zonnecel expert 3
Wat is energie? Heb je net dit boekje opgepakt? Je had daar energie voor nodig. Toen je vanochtend je tanden poetste, kwam er toen water uit de kraan? Ook daarvoor was energie nodig. Heb je vandaag gefietst of heb je zelfs met de auto, bus of de trein gereisd? Ook daarvoor was energie nodig. Eigenlijk heb je dag in dag uit en overal direct of zijdelings te maken met energie. Wat is energie? Energie is het vermogen om arbeid te leveren. Het maakt niet uit wat of wie de arbeid verricht. Er is altijd energie voor nodig. Machines draaien op energie, kachels verwarmen dankzij energie. Ook levende wezens kunnen alleen bestaan dankzij energie. Ook jij bent dus helemaal afhankelijk van energie. Wetenschappers gebruiken een formule om weer te geven wat energie of arbeid met kracht te maken heeft: arbeid = de uitgeoefende kracht x de afstand waarover die kracht werd uitgeoefend. Dat is best logisch. Er is natuurlijk meer arbeid nodig om een zwaar voorwerp over een bepaalde afstand te verplaatsen, dan wanneer je een licht voorwerp over dezelfde afstand verplaatst. Je kunt het ook zo zien: als je energie stopt in een voorwerp, dan verricht je er arbeid mee.
4
Met kracht de slee vooruit duwen is ‘arbeid’ leveren.
Energie gaat nooit verloren. Wat er aan energie in gaat, komt er altijd weer uit. Maar misschien in een andere vorm. De totale hoeveelheid energie blijft altijd gelijk.
Er is meer energie nodig om een golfballetje vanuit het zand weg te slaan dan vanaf het grasveld. De golfspeler moet in het eerste geval meer energie investeren, want hij moet niet alleen het balletje wegslaan, maar óók het zand verplaatsen.
Vuur De mens heeft altijd energie gebruikt om het leven makkelijker en plezieriger te maken. Eén van de eerste en belangrijkste energie‘uitvindingen’ was het gebruiken van vuur. De mensen gebruikten de energie van het vuur om eten klaar te maken, om zich te warmen en om in het donker licht te hebben.
5
Vormen van energie Een roller coaster slaat energie op terwijl hij omhoog klimt naar het eerste hoge punt van de achtbaan..
Energie kom je tegen in vele vormen. Er zit bijvoorbeeld energie in warmte, licht en beweging. Alle verschillende vormen van energie kunnen worden ingedeeld in potentiële energie of in kinetische energie.
Potentiële energie De eerste energievorm is de potentiële energie. Je ziet van deze energie niets, maar er bestaat de mogelijkheid (=potentie) dat deze vrijkomt. Door bijvoorbeeld een knikker op te tillen, wordt daarin potentiële energie opgeslagen die pas later vrij komt als je de knikker laat vallen. De potentiële energie van de knikker is afhankelijk van de zwaartekracht en wordt daarom ook zwaartekrachtenergie genoemd. Het stilstaande water achter een stuwdam vormt ook een bron van potentiële energie. Die energie verandert in kinetische energie als het water door de turbines naar beneden stort. De draaiende turbines wekken stroom op. Dit is weer een andere vorm van energie.
6
Chemische energie is ook een voorbeeld van potentiële energie. Die energie is opgeslagen in bepaalde chemische samenstellingen. Denk daarbij aan een accu of een batterij. De energie komt pas vrij als daar een apparaat op wordt aangesloten, bijvoorbeeld een lamp of een elektromotor.
01•031
De roller coaster of achtbaan zet de opgebouwde potentiële energie om in kinetische energie zodra hij over de top is en afdaalt..
Achtbaan Kinetische energie is de energie die de roller coaster naar de top brengt. Dat gebeurt meestal door een langzaam lopende ketting die de roller coaster omhoog trekt. Hierna zorgt de opgebouwde potentiële energie ervoor dat de roller coaster naar beneden raast. Tijdens de afdaling komt de roller coaster meerdere lagere ‘toppen’ tegen. Die zijn altijd lager dan de eerste top waarvan de roller coaster is vertrokken. In ieder geval heeft de roller coaster tijdens zijn eerste klim naar boven voldoende potentiële energie opgebouwd om na veel hobbels en scherpe bochten toch nog de eindstreep te halen. Maar het lukt niet als de volgende toppen hoger zijn dan de top waarbij de roller coaster zijn potentiële energie heeft opgebouwd. 7
01•032
kinetische energie De tweede energievorm is de kinetische energie. Kinetische energie is de energie van de beweging. Golvend water en stromend water hebben die energie. Atomen, moleculen en alle dingen die in beweging zijn, hebben deze vorm van energie in zich. Warmte is de vorm van kinetische energie die kan worden overgedragen van de ene stof naar de andere. Een ander woord voor deze energie is ‘thermische energie’. Het is de beweging van de atomen en moleculen die deze warmteenergie veroorzaakt. Geluidsenergie ontstaat als bepaalde voorwerpen in trilling worden gebracht. Die trilling wordt overgebracht op de omringende lucht waardoor geluidsgolven worden geproduceerd. Elektrische energie is in feite de beweging van een elektrische lading. Elektronen zijn minuscule deeltjes in een atoom. Als die elektronen buiten het atoom ‘aan de wandel’ gaan, dan komt er energie vrij: dan is er sprake van een elektrische stroom. Bliksem is een vorm van dit soort energie.
Kun jij surfen op geluidsgolven? Nee natuurlijk! Geluidsgolven gaan in water vier keer sneller dan in lucht. 8
Donder en bliksem Je kunt uitrekenen hoe ver een onweersklap bij je vandaan is geweest. Dat doe je door de tijd tussen de flits en de onweersklap in seconden te delen door drie. Je hebt dan de afstand in kilometers gevonden. Dat komt omdat de snelheid van het geluid van de donder met een snelheid van ongeveer 1/3e kilometer per seconde bedraagt. Als de lichtflits en de donderklap bijna gelijktijdig plaatsvinden, dan is het onweer heel dichtbij.
Snelle breuk Als glas breekt, dan plant de breuk zich voort met een snelheid van zo’n 4800 kilometer per uur. Meer dan vier keer zo snel als het geluid!
9
Energiebronnen Fossiele Brandstoffen Fossiele brandstoffen zijn afkomstig van de resten van prehistorische planten en dieren. Fossiele brandstoffen zijn olie, gas en kolen. Bijna 80% van het wereldwijde energieverbruik komt van fossiele brandstoffen. In elektriciteitscentrales worden deze brandstoffen gebruikt om electriciteit te maken: stoom onder hoge druk laten turbines draaien waaraan enorme dynamo’s (generatoren) gekoppeld zijn. De resterende 20% van het wereldwijde energieverbruik wordt in hoofdzaak opgewekt met behulp van stromend water (bijvoorbeeld uit stuwdammen), in windmolenparken en in nucleaire installaties (kerncentrales). Een klein gedeelte wordt opgewekt door zonnepanelen en in biocentrales. Fossiele brandstof stelt ons ook in staat om te reizen: ze wordt gebruikt in vliegtuigen, auto’s, vrachtwagens en nog veel meer. Helaas is de verbranding van fossiele brandstoffen nogal slecht voor het milieu.
Een kolenmijn in bedrijf
10