# 4. Behoud van energie

Op deze pagina werk je aan de volgende leerdoelen:

- Je kan van verschillende energieomzettingen een energiestroomdiagram maken
- Je kan de wet van behoud van energie toepassen
- Je kan rekenen aan bewegingen met de wet van behoud van energie
- Je kan het verband tussen arbeid en bewegingsenergie toepassen

## Energieomzettingen

Een bal die je omhoog gooit en terugvalt op de grond in het zand. Een voorbeeld waarbij nogal wat energieomzettingen plaats vinden.

Chemische energie uit voeding zorgt ervoor dat dat je met je spieren de bal bewegingsenergie kan geven.
Naarmate de bal meer hoogte krijgt neemt de snelheid en daarmee de bewegingsenergie af maar neemt de zwaarte-energie toe. Op het hoogste punt heeft de bal geen bewegingsenergie meer en is deze volledig omgezet in vooral zwaarte-energie.
De bal valt vervolgens terug naar de grond. Hierbij wordt de hoogte steeds kleiner en daarmee dus ook de zwaarte-energie. Deze zwaarte-energie wordt vooral omgezet in bewegingsenergie wat zichtbaar is aan de toenemende snelheid.
Op het moment van raken van de grond heeft de bal geen hoogte meer en dus geen zwaarte-energie meer. Deze is nu vooral omgezet naar bewegingsenergie. De bal raakt de grond en in korte tijd heeft gaat de bal van een hoge snelheid naar stilstand. De beweginsenergie wordt volledig omgezet in onderandere warmte. De bal en de grond zal iets warmer worden.

In het bovenstaande voorbeeld doen zich allerlei energieomzettingen voor. Energie ontstaat niet uit het niets en gaat ook niet verloren. Energie komt dus voort uit omzettingen van de ene soort energie in de andere. De hoeveelheid energie voor en na blijft ten allen tijde gelijk. Dit wordt de wet van behoud van energie genoemd.

Hieronder vind je een simulatiespel. Hierin kan je experimeteren met de wet van behoud van energie. Creëer verschillende situaties waarin je kan zien hoe groot op de zwaarte-energie en bewegingsenergie is op ieder moment en op verschillende plekken in het traject. Opmerking bij deze simulatie: bewegingsenergie wordt hier kinetische energie genoemd, zwaarte-energie wordt hier potentiële-energie genoemd en warmte wordt hier thermische-energie genoemd.

Bron: Phet.colorado.edu

Energieomzettingen komen vooral voor in apparaten. Een apparaat moet worden voorzien van een energievorm. Deze toegevoerde energie wordt in het apparaat omgezet naar de gewenste vorm van energie. Dit wordt ook wel nuttige energie genoemd. Bij deze omzettingen wordt een deel van de toegevoerde energie omgezet naar een energievorm die niet gewenst is. Hoe kleiner het deel dat in de niet gewenste vorm wordt omgezet hoe hoger het rendement van het apparaat.

Een voorbeeld apparaat is een lamp in huis. De toegevoerde energie is elektrische energie. De lamp zet dit om in licht, de nuttige energie. De lamp wordt ook warm. Hiervoor is de lamp niet bedoeld. De warmte is dan de ongewenste energie.
Vroeger gebruikte men vooral gloeilampen. Bij een gloeilamp wordt 100 joule toegevoerde elektrische energie omgezet naar ongeveer 5 joule licht en 95 joule warmte. Bij moderne ledverlichting wordt 100 joule toegevoerde elektrische energie omgezet naar ongeveer 50 joule licht en 50 joule warmte. Bij eenzelfde hoeveelheid licht-energie van 5 joule is bij een gloeilamp dus 100 joule nodig en bij een ledlamp slechts 10 joule. Omdat gloeilampen zoveel meer energie nodig hebben voor de zelfde hoeveelheid licht is sinds 2012 de verkoop van gloeilampen in Europa niet meer toegestaan.

Voor een visueel overzicht van de energieomzetting door een apparaat wordt een energie-stroomdiagram gemaakt. Hieronder het voorbeeld voor een gloeilamp en een spaarlamp.

Links van het apparaat staat de toegevoerde energie in de vorm van de staart van een pijl. Rechts van het apparaat staan de energievormen die uit het apparaat voortkomen. Deze hebben de vorm van de kop van een pijl. Volgens de wet van behoud van energie is het noodzakelijk dat de totale toegevoerde energie even groot is als het totaal aan uitkomende energie. De dikte van de pijlen illustreren de hoeveelheid energie. De visuele weergave geeft snel inzicht hoe een apparaat energie omzet.

bron: Natuurkunde.nl - energiestroomdiagram tekenen.

Kijk voor het zelf maken van een energie-stroomdiagram de volgende instructie-video:

Je kan van verschillende energieomzettingen een energiestroomdiagram maken

Hieronder een oefening met een energiestroomdiagram. Sleep de begrippen naar de juiste plek. Klik de controleerknop zodat je kan zien hoe je de opdracht gedaan hebt.

Nog een oefening met een energiestroomdiagram.

Je kan de wet van behoud van energie toepassen

Claus heeft de verlichting van zijn slee vernieuwd. Voorop de slee was een gloeilamp gemonteerd. Deze is nu vervangen door een LED-lamp. Claus verwacht nu minder energie uit de accu nodig te hebben voor dezelfde hoeveelheid licht gedurende de nacht.

Met een energiemeter controleert Claus het energiegebruik. Deze meter meet helaas geen elektrische energie maar is alleen geschikt voor het meten van afgegeven warmte. Het blijkt dat de LED-lamp 312 joule warmte afgeeft in de nacht.

In de specificaties bij de LED-lamp wordt aangegeven dat deze een rendement van 40% heeft. Dit houdt in dat bij de omzetting 40% naar licht wordt omgezet. Eventuele warmteverliezen naar de omgeving mag je negeren.

Aan jou de taak de juiste energiehoeveelheden in het energiestroomdiagram naar de juiste plek te slepen. Ben je klaar, klik dan op de controleerknop voor het resultaat. Heb jij gevonden hoeveel elektrische energie de lamp gebruikt?

Nog een oefening over dit onderwerp:

Je kan de wet van behoud van energie toepassen

Meer elektrische auto’s verkocht wereldwijd De verkoop van elektrische auto’s (EV) groeit snel. In 2023 werden er 40% meer elektrische auto’s verkocht dan in 2022. Vooral in China, Europa en de VS zijn ze populair. De groei komt door betere technologie en meer laadstations. Ook worden batterijen goedkoper. Veel autofabrikanten maken nu meer elektrische modellen. Experts denken dat tegen 2030 veel meer mensen elektrische auto’s zullen kopen.

Dit nieuwsartikel gaat over EV's. Deze auto's worden niet meer aangedreven met energie uit fossiele brandstoffen.

Hieronder zie je een energiestroomdiagram over de aandrijving van een EV. Aan jou de taak de juiste begrippen op de juiste plek te zetten.

Nog een opgave om na te gaan of je de stof begrepen hebt en kan toepassen:

## Arbeid en beweging

De arbeid die iets of iemand verricht op een voorwerp heeft invloed op de beweging van dat voorwerp.

Als voorbeeld kijken we naar een catapult. Hiermee kunnen we een steentje weg schieten.

Wanneer we het elastiek van de catapult spannen en het steentje voor het elastiek plaatsen heeft dat steentje nog geen snelheid en dus ook geen bewegingsenergie.

Laten we nu het elastiek los dan zal deze een kracht op het steentje uitoefenen over een afstand tot het elastiek terug ontspannen is. Het elastiek levert hier een arbeid. De grootte van deze arbeid valt te berekenen met de vergelijking:

Hierin is:

W | Arbeid geleverd door het elastiek in Nm
Fgem | De gemiddelde kracht dat het elastiek op het steentje uitoefent
s | De afstand waarover het elastiek de kracht op het steentje uitoefent

Bij dit verrichten van arbeid op het steentje veranderd de energie van het steentje. Het steentje krijgt een snelheid en daarmee bewegingsenergie. Wanneer we hierbij eventuele omzettingen van energie naar bijvoorbeeld geluid en warmte niet meerekenen geldt:

waarbij het verschil in bewegingsenergie is.

Dit verschil in bewegingsenergie kan zowel positief als negatief zijn. Vervolgens kan met de volgende vergelijking bepaald worden wat de nieuwe snelheid wordt in deze situatie:

Hierin is:

ve | Eindsnelheid in m/s
vb | Beginsnelheid in m/s

Een voorbeeld is het stoppen van een auto. Stel een auto heeft een massa van 1000kg en rijdt met een snelheid van 20 m/s. De bestuurder trapt op de rem en brengt de auto tot stilstand.

De bewegingsenergie van de auto voordat hij stop is:

Wanneer de auto tot stilstand komt, is de snelheid 0 m/s. De bewegingsenergie is dan 0J. Der verrichte arbeid door de remmen om de auto te stoppen is gelijk aan het verschil in bewegingsenergie:

Wanneer ook de remkracht van de remmen bekend is met als voorbeeld 4000N. Dan kan met de vergelijking voor arbeid bepaald worden wat de remweg is geweest voor deze auto:

De remweg is dan 50 meter.

Een vraag die je jezelf hierbij kan stellen: Als de auto nou zwaarder is dan 1000kg wordt de remweg toch langer. In de vergelijking voor arbeid zie ik de massa niet terug. Hoe kan dit?
Het antwoord op deze vraag is dat de massa al meegenomen is in de bepaling van het verschil in bewegingsenergie. Bij een grotere massa zal ook het verschil in bewegingsenergie groter zijn en daarmee ook de arbeid die de remmen leveren. Bij gelijke remkracht zal uit de vergelijking voor arbeid dan een langere remweg volgen.