Wat is energie (en wat is het niet)?

Maar wat is ‘energie’ eigenlijk? In de wetenschap moet elke term die gebruikt wordt duidelijk gedefinieerd zijn. Als je iemand een wetenschappelijk klinkende term hoort gebruiken, dan is het altijd goed om eens te vragen wat die term betekent. Als men dan niet in staat is om een duidelijke definitie te geven, dan is dat een goed moment om je ‘skeptische antenne’ te activeren. Het zou wel eens kunnen dat je met pseudowetenschap te maken hebt.

Kracht

Als we willen begrijpen wat wetenschappers onder energie verstaan, dan is het belangrijk dat we een aantal basiselementen samenbrengen die ons tot dat begrip leiden. Eigenlijk moeten we starten bij Newton. Hij legde de basis voor de moderne mechanica die ons in staat stelt om het gedrag van alle middelgrote voorwerpen te begrijpen. De eerste wet van Newton is onder het grote publiek ook bekend als de traagheidswet. Deze wet zegt, dat een voorwerp dat in rust is ten opzichte van een ander voorwerp, in rust zal blijven en een voorwerp dat in beweging is, in beweging zal blijven. De tweede wet van Newton zegt dat als je daar iets aan wil veranderen, je daar een kracht voor nodig hebt die evenredig is met de massa van dat lichaam en met de gewenste versnelling. Ik zou dit nog één stapje verder willen brengen door te zeggen dat een voorwerp in rust blijft als de som van alle krachten die erop inwerken, gelijk is aan nul. De verandering in beweging is evenredig met de som van alle krachten die erop inwerken. In het dagelijks leven komt dat erop neer dat het in de supermarkt een grotere kracht vergt om een volgeladen winkelkarretje in gang te duwen of af te stoppen dan een leeg karretje. Deze wetten van Newton zijn zo belangrijk voor de krachtenleer dat men de eenheid van kracht de newton (N) heeft genoemd. Eén newton wordt bijgevolg gedefinieerd als het product van de eenheid van massa en de eenheid van versnelling, of een kilogrammeter per seconde kwadraat (kg.m/s2 ).

Arbeid

Iedereen begrijpt intuïtief wel wat een kracht is. Al van kleins af weten we wat men bedoelt als iemand zegt ‘laat je forsballen eens zien!’. Maar kracht zegt niet alles als je een mechanisch systeem wil onderzoeken. Neem het volgende voorbeeld: Twee bouwvakkers krijgen de opdracht om een pallet bakstenen van het gelijkvloers naar het eerste verdiep van een gebouw te brengen. De ene vult een kruiwagen volledig en trekt die dan met een takel naar boven. De andere vult telkens een emmer met bakstenen en trekt die ook met de takel naar boven. Het is duidelijk dat de tweede arbeider voor zijn werk minder kracht nodig had dan de eerste. Nochtans hebben ze uiteindelijk dezelfde arbeid geleverd, want aan het einde hebben ze alle twee precies dezelfde opdracht uitgevoerd. het volledige pallet stenen is van het gelijkvloers naar het eerste verdiep verhuisd. Ze hebben dezelfde arbeid geleverd. De eerste heeft heel veel kracht nodig gehad, maar moest niet zo veel kruiwagens van beneden naar boven laten gaan. De tweede had minder kracht nodig, maar moest wel meer emmers naar boven trekken. Wat bij beide bouwvakkers hetzelfde bleef, is het product van de kracht die ze nodig hadden maal de afstand die ze moesten afleggen. Arbeid is dus de inspanning die een kracht moet uitoefenen om een voorwerp over een bepaalde afstand te verplaatsen. Of, wiskundig, is arbeid gelijk aan kracht maal afstand. De eenheid van arbeid is dus newton maal meter, en is gelijk aan de joule (J). (Merk op dat de eenheid van moment of koppel ook de newtonmeter is, kijk maar in het boekje van je wagen. Dat is geen toeval.)

Energie

Als die stenen daar boven liggen en je bindt aan de andere kant van het touw beneden nog een emmer, die je met stenen vult, dan kan je deze vanzelf naar boven laten komen door gebruik te maken van het gewicht van de bovenste emmer als je het touw loslaat. Met andere woorden: die eerste emmer waarop je zelf arbeid hebt uitgeoefend, is zelf in staat om arbeid te leveren. De mogelijkheid om arbeid te leveren noemt men energie. Energie en arbeid hebben dezelfde eenheid, en dat is natuurlijk niet toevallig, de joule. Energie wordt op zich opgesplitst in twee soorten, namelijk kinetische en potentiële energie. Onze emmer die op 4 meter hoogte hangt is een voorbeeld van potentiële energie omdat hij niet beweegt.

Kinetische energie is de energie van voorwerpen die in beweging zijn. Bijvoorbeeld een hamer die met een zekere snelheid in de richting van een nagel vliegt, bevat kinetische energie, want op het moment dat hij de nagel bereikt, kan hij de nagel een stuk in het hout doen dringen tegen de weerstandskrachten van hout in. Als je een veer opspant, dan steek je daar arbeid in. Daardoor stijgt de potentiële energie van de veer zodat die, als ze weer ontspant, arbeid kan leveren.

De hoeveelheid kinetische energie die een bewegend voorwerp bezit kan je berekenen door uit te zoeken hoeveel arbeid het kan verrichten als je het tot stilstand brengt. Dus, je probeert het voorwerp met een bepaalde kracht tegen te houden tot het stilvalt. En dan kijk je welke weg het nog afgelegd heeft tot het stil stond. Die kracht, maal die afstand is de kinetische energie die het voorwerp aanvankelijk had. Als je dat dan uitrekent kom je uit bij het feit dat de kinetische energie van een bewegend voorwerp gelijk is aan de massa maal het kwadraat van zijn snelheid gedeeld door twee. Wiskundig kan je bewijzen dat dat altijd klopt, onafhankelijk van hoe de kracht en de snelheid onderweg veranderde. Met wat integraalrekening krijg je dan dat de kinetische energie van een bewegend voorwerp gelijk is aan de massa maal zijn snelheid in het kwadraat gedeeld door twee.

Holistisch

Veel mensen zullen nu zeggen dat wat ik net uitgelegd heb wel een heel beperkte definitie van wat energie is, want je komt toch ook energie tegen in de elektriciteit, vuur, licht en de fameuze wet van Einstein: E = mc²! En wat doe je dan met de energiewaarde die opgegeven wordt in voedsel?

Ik heb speciaal voor dit deel de titel ‘holistisch’ gebruikt alhoewel ik een hekel heb aan die term want het is één van die nietszeggende termen die veel door pseudowetenschappers gebruikt worden om te zeggen dat zij holistisch zijn terwijl de wetenschap dan reductionistisch is. Ze bedoelen daarmee dat wetenschappers alles in stukjes kappen, naar de details kijken en dan het geheel niet meer zien. Dat is dus je reinste nonsens, want gelijk welke vorm van energie die je in de wereld tegenkomt kan je terugbrengen tot bovenstaande definitie.

De energie in elektriciteit is in staat om een kracht uit te oefenen op voorwerpen. Een motor bijvoorbeeld zet elektriciteit om in een magnetisch veld dat op zijn beurt een rotor doet draaien die arbeid kan leveren. De energie van elektriciteit wordt normaal berekend in functie van de stroom en de spanning, maar uiteindelijk komt het op hetzelfde neer! Licht kan een elektron uit zijn schil duwen om zo arbeid te leveren. Materie kan je via de wet E = m.c² omzetten in energie en omgekeerd. Die energie zal zich dan in verschillende mogelijke vormen voordoen, zoals licht, warmte of een schokgolf. Einstein paste trouwens bovenstaande formule toe op zijn speciale relativiteitstheorie en na een hoop moeilijke wiskunde kwam hij tot zijn verrassend eenvoudige formule (E = m.c²).

De energie die in voedsel zit, is eigenlijk chemische energie. Door de suikers en vetten die in dat voedsel zitten te verbranden, dat betekent: met zuurstof verbinden, kan je arbeid leveren. Als je te veel eet zal je lichaam vet produceren om het teveel aan energie op te slaan. Het aantal joule van een bepaalde voedingsstof wordt ook gemeten door het te verbranden en te meten hoeveel warmte er vrij komt.

De energie van radiogolven kan elektronen in een metaal in beweging zetten, zodat er een elektrische stroom begint te vloeien. Geluidsgolven kunnen arbeid leveren op je trommelvlies zodat dat gaat trillen. Warme gassen in een gasturbine of een verbrandingsmotor hebben eigenlijk kinetische energie. De moleculen waaruit het gas bestaat, vliegen willekeurig door elkaar met een razende snelheid. Daarbij botsen ze tegen de wanden van de ruimte waarin ze zich bevinden. De gemiddelde snelheid van die beweging bepaalt eigenlijk de temperatuur van dat gas. Als al die gasdeeltjes stilvallen zegt men dat het absolute nulpunt van temperatuur werd bereikt. Als je een gas opwarmt, verhoog je de snelheid van die deeltjes. Daarom dat de druk van een gas hoger wordt naarmate die temperatuur hoger wordt. De gasdeeltje botsen namelijk met een hogere snelheid tegen de wanden. Als nu één van die wanden beweegbaar is, dan zal die wand door die druk achteruit bewegen en levert het gas dus ook energie aan die wand. Het gevolg daarvan is dat de snelheid van de deeltjes verlaagt, wat eigenlijk hetzelfde is als zeggen dat de temperatuur van het gas daalt. Zo maak je een thermische motor. Wat ik hier zo zeg is niet gewoon een model, het is de fysische werkelijkheid. De gemiddelde snelheid van de moleculen van een gas bij een bepaalde temperatuur kan je berekenen!

Bij een vaste stof is zijn temperatuur het gevolg van het trillen van de atomen. Hoe warmer het wordt, hoe harder ze trillen. Bij het smeltpunt staan ze zo hard te schudden dat de verbindingen tussen de deeltjes afbreken, zodat ze door elkaar gaan vloeien. Als de temperatuur nog hoger wordt, wordt de snelheid tussen de deeltjes zelfs zo hoog dat ze niet meer bij elkaar blijven, maar vrij beginnen rond te vliegen. Dan begint het materiaal te koken.

De energie van elektriciteit komt neer op het verplaatsen van geladen deeltjes door een elektromagnetisch krachtveld.

Dit is een leuke denkoefening om al deze zaken te illustreren: Neem een gewoon elektrisch verwarmingstoestel. In de elektriciteitscentrale draaien magneten rond een aantal elektrische spoelen en slepen op die manier de elektronen in die spoelen mee, waardoor er een elektrische stroom ontstaat. Die elektrische stroom vloeit door de verwarmingsweerstand van het toestel. Dat zijn dus eigenlijk elektronen die met een hoge snelheid door die kabel vliegen. Maar dat gaat niet zonder slag of stoot. Die elektronen botsen zo nu en dan eens tegen een atoom van de weerstand. Dat atoom gaat daardoor harder trillen. De gasmoleculen die de draad omgeven botsen regelmatig tegen die draad, maar doordat die atomen van de draad hard aan het trillen zijn, is de kans groot dat ze een hoop van die energie aan het gas geven. Met andere woorden, het gasatoom heeft na de botsing een grotere snelheid dan ervoor. Maar gasatomen die snel rondvliegen, dat is warmte. Zo wordt de warmte overgedragen. De energie van een systeem is dus gelijk aan de arbeid die door dat systeem geleverd kan worden. En dat komt neer op het verplaatsen van een object over een afstand met een bepaalde kracht. Samenvattend kunnen we zeggen dat iets energie bezit als het in staat is om arbeid te verrichten. In eenvoudige mensentaal: als het iets kan aandrijven. Zo kan je zeggen dat een opgehangen massa (denk aan de gewichten van een staande klok), een zwaaiende stalen bol om muren mee om te stoten, een bak met benzine, de zon, een opgeladen batterij, een boterham... allemaal energie bezitten. Ik laat het aan jezelf over om nog andere voorbeelden te bedenken. Onze wereld is er vol van.

Meten is weten

Het is een belangrijke wijsheid in de wetenschappen dat je dingen moet kunnen meten. Van zaken die je niet kan meten, kan je vaak moeilijker iets zeggen. Als iemand beweert dat hij kennis heeft over iets dat niet meetbaar is, dan is die uitspraak even plausibel als de uitspraak van Russell die beweert dat er een theepot rond de zon draait ergens tussen Mars en Jupiter. Je kan natuurlijk beweren dat telepathie doorgegeven wordt via signalen die we met onze huidige wetenschappelijke kennis niet kunnen meten, maar die uitspraak is minderwaardig aan de uitspraak dat telepathie gewoonweg niet bestaat. Een eerste voorwaarde is dat je eerst wetenschappelijk (dubbelblind enz...) moet aantonen dat telepathie bestaat.

In de huidige stand van de wetenschap zijn we in staat om een enorme hoeveelheid Wetenschap aan signalen te verwerken over een enorm bereik aan golflengtes en signaalsterktes. Een professor astronomie in Leuven liet zijn studenten bij de eerste les een blad papier een meter hoog heffen om het dan te laten vallen. Daarna becommentarieerde ze dat de totale energie van dat vallend blad groter is dan de energie van alle signalen die gedurende de geschiedenis van de radioastronomie uit de ruimte zijn opgevangen voor waarnemingen. Onze meetinstrumenten zijn tegenwoordig zo gevoelig dat het onwaarschijnlijk is dat er nog een onontdekte signaaldrager bestaat die telepathische signalen overbrengt, maar het is natuurlijk niet onmogelijk. Als we dan vaststellen dat goed gecontroleerd dubbelblind onderzoek op deze gaven ook niets oplevert, is besluiten dat telepathie waarschijnlijk niet bestaat een heel redelijk standpunt. Dat is ook het besluit van Susan Blackmore, die er een doctoraat aan gewijd heeft. Nu is ze een gerenommeerde skepticus.

Het begrip ‘energie’ wordt in de pseudowetenschappen vaak gebruikt, het geeft ze een wetenschappelijk aura. Maar aardstralen waarvan wichelroedelopers beweren ze te voelen, zijn nog nooit gemeten en dubbelblinde testen van wichelroedelopers leverden tot nu toe geen resultaten op. De energiebanen, die in de acupunctuur worden beschreven, zijn nog nooit gemeten en in tegenstelling tot wat veel mensen denken, komen ze niet overeen met de zenuwbanen. Hetzelfde geldt voor de energiestromen die door chiropractors geclaimd worden. Nu zullen veel pseudowetenschappers mij opnieuw als een kortzichtig persoon zien omdat ik energie reductionistisch definieer. Nee, in de wetenschappen houden we van duidelijke definities. Dat geldt trouwens niet alleen in de wetenschappen. Als je met mensen wil samenleven, heb je ook liefst duidelijke afspraken. Pseudowetenschappers staan dus voor een keuze. Ofwel spreken ze over energie en dan moeten ze ons kunnen vertellen over hoeveel joules het gaat, ofwel is het iets anders, en dan moeten ze het ook een andere naam geven. Mij lijkt ‘blatoefen’ wel wat (maar dan moeten ze definiëren wat ‘blatoefen’ zijn en hoe je die meet…).