(1 mechanica) of energie heet in de mechanica de hoeveelheid arbeid, die een lichaam (aan een ander lichaam) kan verrichten, wanneer het uit de toestand A in de toestand B geraakt. De waarneming leert, dat deze juist gelijk is aan de hoeveelheid arbeid, die nodig zou zijn, om het lichaam wederom van de toestand B in de toestand A terug te brengen, indien dit althans mogelijk is.
Men onderscheidt in hoofdzaak arbeidsvermogen van beweging of kinetische energie en arbeidsvermogen van plaats of potentiële energie. Het eerstgenoemde is de arbeid, die een lichaam aan andere lichamen kan uitoefenen, door van beweging in rust over te gaan, en die gelijk blijkt te zijn aan het halve product van de massa met het quadraat van de snelheid, wanneer het een translatieve of evenwijdige beweging betreft, en aan het halve product van het zgn. traagheidsmoment met het quadraat van de omwentelingssnelheid, wanneer het een rotatieve of draaiende beweging betreft. Het arbeidsvermogen van een auto met een gewicht van 3000 kg of een massa van 300 grote stat. massa-eenheden (z massa), die met een snelheid rijdt van 72 kmh, of 20 m/sec., bedraagt dus ½ m v2 = 60 000 kgm. Deze is, zoals wij zullen zien, gelijk aan het arbeidsvermogen van plaats van een gewicht, evenzo van 3000 kg, op een hoogte van 20 m, hetwelk ook weer gelijk is aan het arbeidsvermogen van beweging, wanneer dit gewicht deze 20 m vrij naar beneden valt. De hevigheid van de botsing van deze auto met een muur e.d. komt dus overeen met de schok wanneer deze auto van 20 m hoogte naar beneden valt. Het arbeidsvermogen van plaats daarentegen wordt uitgeoefend door een enkele verplaatsing van het lichaam van de ene rusttoestand in de andere. Zo zal een gewicht van k kilogram een arbeid van kh kilogrammeter verrichten, wanneer het h meter lager wordt geplaatst, onverschillig of dit in een rechte lijn geschiedt of niet, en het arbeidsvermogen van plaats van het lichaam is dan met kh kilogrammeter verminderd.Ook voor andere toestandsveranderingen, waarbij electrische ladingen, warmteuitwisseling en scheikundige veranderingen een rol spelen, kan de energie of het arbeidsvermogen worden bepaald of berekend. Het is dan echter niet langer, zoals boven, gelijk aan de arbeid, die verricht wordt, maar algemeen gelijk aan de som van de verrichte arbeid en de afgestane warmte. Het is nu één van de fundamentele natuurwetten, dat deze som, de energie, van een stelsel niet verandert, wanneer geen energie van buitenaf wordt toegevoerd of afgestaan. (Wet van behoud van arbeidsvermogen of van energie, 1ste hoofdwet van de thermodynamica). Men kan deze wet ook aldus formuleren, dat, zo een stelsel, na een proces te hebben doorlopen, in eenzelfde toestand weerkeert, de totale som van de verrichte arbeid en de opgenomen warmte gelijk nul is. Dit houdt in de onmogelijkheid van een perpetuum mobile, immers dit zou realiseerbaar zijn, zo iets meer arbeid wordt verricht (ter overwinning van wrijvingskrachten e.d.) dan in de vorm van warmte werd opgenomen.
Een merkwaardig resultaat van de relativiteitstheorie is, dat ook massa in arbeidsvermogen kan omgezet worden. Bij de vrijwillige of kunstmatige splijting van uraniumatomen in atomen, die samen een iets geringere massa hebben, komt een groot arbeidsvermogen, de zgn. atoomenergie vrij (z kernfysica).
Terwijl men vroeger dacht, dat alle stoffen bij het absolute nulpunt (—273 gr. C.) het arbeidsvermogen nul bezaten, is een uitkomst van de quantumtheorie, dat de elementaire deeltjes bij die temperatuur niet geheel stilstaan, maar nog een zekere nulpuntsenergie bezitten.
(2 in de natuur) is aanwezig in levende dieren. Er is nagegaan, hoeveel arbeid een paard en een os kunnen leveren; een paard is niet zo sterk als een os, maar werkt vlugger, zodat zijn arbeidsvermogen groter is. Het arbeidsvermogen van een paard is per dag ongeveer 1 166 400 kgm = 15 550 paardekrachtseconden, en van een os 1 123 200 kgm = 15 000 paardekrachtseconden. Het arbeidsvermogen der dieren wordt aangevuld door het opnemen van voedsel.
Arbeidsvermogen van beweging wordt gevonden in stromend water en in de wind. Het a.v.b. van stromend water wordt gebruikt tot het in beweging brengen van waterraderen, die weer allerlei machines drijven; alleen dan kan dit met voordeel gebeuren, als het water snel genoeg stroomt, of als in langzaam stromend water een zeer breed rad geplaatst kan worden.
Van a.v.b., opgehoopt in de wind, wordt zeer veel gebruik gemaakt voor molens en voor zeilschepen. Voor grote fabrieken is het vrijwel onbruikbaar, daar de installatie om het op te nemen te groot zou moeten zijn en de fabriek stil zou moeten liggen bij windstilte. Voor kleine, niet continue bedrijven is dit arbeidsvermogen zeer goedkoop.
Arbeidsvermogen van plaats van water ten opzichte van de aarde wordt veelvuldig gebruikt voor het verrichten van arbeid. Water op grote hoogte boven de grond, bijv. water vlak vóór een waterval, wordt door sterke wijde buizen naar een turbine gevoerd, die het a.v.pl. bijna geheel omzet in direct bruikbaar a.v.b. (Bij de Niagara-waterval, bij Schaffhausen enz. bestaan grote installaties, die op deze manier werken).
Een zeer grote hoeveelheid van beide behandelde soorten van arbeidsvermogen bezit de zee door eb en vloed. Inrichtingen om deze energie nuttig te gebruiken, moeten echter zeer grote afmetingen hebben, zodat de kosten te hoog worden. Alleen op de kust van Normandië (waar het hoogteverschil van het water bij eb en vloed ongeveer 4 m is) wordt deze energie gebruikt. Er was bij toeval een natuurlijke vijver aanwezig van ± 5 ha oppervlakte, die bij vloed gevuld wordt en bij eb weer leeg loopt, zodat bij eb een turbine in beweging gebracht wordt.
De energie op aarde in de vorm van zonnestraling (z daglicht) is wel zeer groot, maar meestal niet om te zetten in een voor ons bruikbare vorm, behalve dan langs biologische weg (fotosynthese tot voedsel).
De warmteverschillen zijn te gering en worden te gauw vereffend, om zelfs voor een thermo-element bruikbaar te zijn. De stralende energie der zon eist te grote en kostbare apparaten om algemeen bruikbaar te zijn. Slechts op enkele plaatsen, o.a. ergens in Californië, in een woeste, maar zeer mineraalrijke streek, worden de zonnestralen op een grote kegelvormige spiegel opgevangen, die de stralen tegen een stoomketel terugkaatst; deze spiegel is draaibaar ten opzichte van de zon en natuurlijk bestand tegen grote winddruk; vandaar de hoge kosten. Ook in Egypte is een soortgelijke machine opgesteld.
Wel interessant, maar technisch nog niet van belang gebleken, zijn de pogingen van Claude om gebruik te maken van de temperatuurverschillen van het zeewater aan het oppervlak en op een zekere diepte, welke proeven verricht zijn in de baai van Matanzas op Cuba. Het warme bovenwater uit de baai verdampt in de ketel D uit zichzelf. De damp drijft de turbine C en condenseert weer in de condensor E, waarin koud benedenwater uit de diepzee voor de baai wordt gespoten. Voor de aanvoer hiervan dient een lange buis.
Men vermeldt, dat op enige alleenstaande hoeven in Hongarije de voor de verlichting benodigde electrische energie wordt onttrokken aan de atmosferische electrische ladingen.
Het scheikundig arbeidsvermogen is voor ons het bruikbaarste; dit is meestal niet direct aan te wenden, maar het kan gemakkelijk omgezet worden in warmte, al is dit theoretisch niet de zuinigste manier van gebruiken (z kringproces van Carnot). Scheikundige energie vinden wij bijna uitsluitend in planten en dieren, en in stoffen er uit ontstaan, zoals turf, steenkool, petroleum enz. In een kleine ruimte is een grote hoeveelheid scheikundige energie opgehoopt, hetgeen óók een groot voordeel is. Uit één kub. m anthraciet kan door een stoommachine ongeveer 56 000 000 kgm nuttige arbeid verricht worden, terwijl een kub. m water op 75 m boven de grond 75 000 kgm bezit, die nog niet eens alle in nuttige arbeid omgezet kunnen worden; een valhoogte van 75 m komt bovendien bijna niet voor. Het arbeidsvermogen, dat vrijkomt bij het verbranden van hout in de vorm van warmte en licht, is hetzelfde, dat nodig is geweest voor het opbouwen der plantencellen, en is dus vnl. arbeidsvermogen, vroeger door de zon uitgestraald als licht en warmte. Zo is ook de verbrandingswarmte van turf en steenkolen op te vatten als in vroegere eeuwen vastgelegd arbeidsvermogen van de zon. Eveneens is het de zonnewarmte, die door verdamping uit de zee de rivieren in stand houdt.
Scheikundig arbeidsvermogen is aanwezig in een systeem van stoffen, die een scheikundige reactie met elkaar kunnen aangaan, hetgeen meestal in warmte wordt omgezet (verbranding); hierdoor geven we bepaalde gassen en dampen onder druk (stoom) arbeidsvermogen van plaats, dat hen in staat stelt, bij expansie mechanische arbeid te verrichten. Het scheikundige arbeidsvermogen, bijv. van zink en zwavelzuur, kan ook direct in electrisch arbeidsvermogen worden omgezet (batterij); deze wijze is echter vrij duur. Practisch van veel belang is de omzetting van electrisch arbeidsvermogen in scheikundig arbeidsvermogen en omgekeerd bij het laden en ontladen van een accumulator.
De meest bruikbare energievoorraden op aarde zijn opgehoopt in: de wind, stromend water en watervallen, de kolensoorten, hout en aardolie.
Het kolenverbruik is in de vorige eeuw aanzienlijk geweest en neemt nog steeds toe, zodat het te voorzien is, dat de tegenwoordig bekende voorraden over een tiental eeuwen uitgeput zullen zijn, terwijl het aanvullen van die voorraad in zo’n korte tijd onmogelijk is; hetzelfde geldt voor de voorraad aardolie. Alleen de houtvoorraad kan constant gehouden worden, terwijl de natuur zelf zorgt voor het gelijkblijven van de voorraad energie in het water.
De verdeling van de energievoorraad over de landen der aarde is zeer onregelmatig. Engeland, Duitsland en de V.S. bezitten en produceren meer kolen dan die landen zelf verbruiken; Frankrijk en Rusland bevatten in verhouding minder. Rusland, Roemenië, Galicië, de V.S., Indië, bezitten veel aardolie, waarvan de licht ontvlambare destillatieproducten voor ontploffingsmotoren en het residu o.a. als brandstof voor stoomketels en centrale verwarmingsketels gebruikt worden. Nederland bezit in eigen bodem (Drente) niet geheel voldoende olie voor eigen gebruik, wel ongeveer voldoende kolen (Limburg).
Amerika bezit ook veel natuurgas, waarvan de hoeveelheid echter sterk vermindert. Frankrijk, Zwitserland, Zuid-Duitsland, Noorwegen, die bijna geen kolen bezitten, hebben grote voorraad energie in hun snelstromende wateren en in watervallen, die door de turbines, dynamo’s en transformatoren meer en meer omgezet kan worden in nuttige arbeid. Ook Amerika bezit arbeidsvermogen in deze vorm in aanzienlijke hoeveelheden. Afrika ook, maar in bijna ontoegankelijke streken. Van de energievoorraad in dit werelddeel en ook van die in Azië is tot nu toe zeer weinig partij getrokken.
Niet van ogenblikkelijk belang, maar voor de wetenschap van veel gewicht, is de vraag, hoe de zon aan haar energie komt. In eerste instantie heeft men gemeend, dat het arbeidsvermogen van de zon uitsluitend uit warmte bestond. Deze opvatting heeft men moeten laten varen, omdat de zon per dag zoveel warmte uitstraalt, dat ze onmogelijk de grote levensduur zou hebben kunnen behalen, die uit allerlei geologische en andere gegevens is te schatten. Daarnaast heeft men gewezen op het gehalte aan radio-actieve stoffen van de zon, welke zeer wel een arbeidsvermogen kunnen vertegenwoordigen dat groter is dan de warmteinhoud; de radio-actieve stoffen gaan spontaan te gronde onder het afgeven van grote hoeveelheden straling, die in het lichaam van de zon geabsorbeerd worden en daar overgaan in warmte. Door deze voortdurende aanvulling van haar warmte-inhoud kan de zon zeer veel langer uitstralen in dezelfde mate, als waarin zij het heden doet. Toch bleef het nog zeer twijfelachtig, of zelfs een onwaarschijnlijk hoog gehalte aan radioactieve stoffen, voor de hoge ouderdom van de zon aansprakelijk kon worden gesteld.
In de laatste tijd heeft men echter een nieuwe energiebron ontdekt in de omzetting van elementen in andere (z kernfysica). Uit de zware elementen uraan en thorium heeft men zelfs op technische schaal enorme energie-hoeveelheden weten te winnen, zij het voorlopig ook met te grote kosten om als zodanig lonend te zijn. Het blijkt nu theoretisch ook mogelijk, dat heliumatomen gevormd worden door samenkomen van atomen van het lichtste element, waterstof. Met aardse middelen is het proces tot nu toe onmogelijk gebleken, maar op de sterren treedt het waarschijnlijk op. Bij dit proces komen enorme energiehoeveelheden vrij, voldoende om onder zeer plausibele onderstellingen, wat betreft het aantal per seconde gevormde heliumatomen, de waargenomen levensduur van de zon te verklaren.
PROF. DR C. ZWIKKER.
