Wat is de Wet van behoud van energie?

De Wet van behoud van energie is een natuurwet en wordt ook wel de eerste hoofdwet van de thermodynamica genoemd. De kern van de Wet van behoud van energie is dat energie nooit verloren gaat. In feite is deze wet een behoudswet. Deze wet maakt duidelijk dat het totaal aan energie in een  geïsoleerd systeem altijd constant blijft. Men kan in dit systeem wel energievormen omzetten in andere energievormen maar energie zal niet verdwijnen. Met andere woorden de totale som van de energieën in een geïsoleerd systeem verandert niet.

Uitleg Wet van behoud van energie
De wet van behoud van energie is van groot belang bij onderzoeken en de ontwikkeling van machines en dynamische systemen waarbij energie wordt omgezet. Energie kan nooit verloren gaan of vernietigd worden. Aan de andere kant kan men ook geen extra energie creëren. Een voorbeeld: men kan de energie uit fossiele brandstoffen halen door deze te verbranden in bijvoorbeeld een Mengselmotor (Ottomotor). Dit doet men doormiddel van een vonk van een bougie. De vonk ontsteekt de brandstof en er ontstaat druk. De druk brengt de zuiger in beweging (bewegingsenergie) en de zuigerstang geeft deze energie over op de krukas die gaat draaien. Dit brengt de wielen in beweging en verplaatst de auto. De auto geeft energie af aan haar omgeving in de vorm van warmte (van uitlaatgassen en wrijving van banden op wegdek). In deze keten is voortdurend energie omgezet en is de energie behouden.

Het feit dat bij veel processen en machines een bepaalde hoeveelheid warmte vrij komt is interessant. Warmte kan men namelijk terugwinnen en hergebruiken. Dat is energiezuinig. Denk hierbij aan de stadsverwarming die wordt aangelegd in een aantal wijken in Nederland. In deze leidingen wordt water getransporteerd dat verwarmt is door de verbranding van afval in een afvalverbrandingsoven. Ook zijn er warmteterugwinsystemen ontwikkeld in de installatiebranche. Deze systemen worden ook wel WTW-systemen genoemd en zorgen er ook voor dat er optimaal gebruik wordt gemaakt van de zogenaamde restwarmte die ontstaat in de keteltechniek.

Perpetuum mobile
Een perpetuum mobile is een Latijnse benaming voor een eeuwige machine. Deze machine zou binnen het kader van de Wet van behoud van energie in theorie kunnen bestaan indien de machine in het geheel geen energie zou afgeven aan haar omgeving. Dit is echter in de praktijk onhaalbaar want bij elke machine wordt een deel van de energie afgegeven aan de omgeving door bijvoorbeeld warmte. Daarom hebben alle systemen en machines energiedragers nodig. Dit kunnen bijvoorbeeld (fossiele) brandstoffen zijn maar het kan ook zonlicht zijn of windkracht. Ook bij deze processen is er sprake van energieomzetting.

Men kan het licht en de warmte van de zon bijvoorbeeld omzetten in elektrische energie doormiddel van zonnepanelen maar ook de bewegingsenergie van windturbines kan men in elektrische energie omzetten. Een perpetuum mobile is dus in de praktijk niet haalbaar maar men zonlicht of windkracht kan men wel systemen ontwikkelen waarbij men zonder het verbranden van brandstoffen een systeem draaiende kan houden. Uiteraard wordt ook hierbij energie afgeven aan de omgeving, alleen gebeurd dat niet door de emissie van warme uitlaatgassen die CO2 en andere schadelijke stoffen bevatten. Daarom worden systemen die draaien om zonlicht, windkracht en waterkracht ook wel systemen genoemd die op hernieuwbare energie draaien.

Wat is een perpetuum mobile en bestaan perpetuum mobile’s?

De Latijnse term perpetuum mobile wordt in het Nederlands vertaald met ‘voortdurend bewegend’ of ‘voortdurend in beweging’. Het wordt uitgesproken als [pɛrˈpeːtuum ˈmobile]. In het meervoud wordt het uitgesproken als perpetuum mobile’s of soms als perpetua mobilia. Tot zover de taalkundige kant van perpetuum mobile. Met de term perpetuum mobile wordt een apparaat of machine bedoelt die voortdurend in beweging blijft nadat dit apparaat is aangezet of in beweging is gebracht. Voor deze voortdurende beweging moet een apparaat beschikken over energie die continue aanwezig is. Daarom moet een perpetuum mobile is staat zijn om zelf energie op te wekken zonder dat daarvoor extern brandstof wordt toegevoegd.

Twee soorten perpetuum mobile’s
Een perpetuum mobile wordt in twee verschillende soorten ingedeeld. De eerste soort van perpetuum mobile’s vormen de apparaten die eeuwig blijven voortbewegen wanneer ze eenmaal in beweging zijn gebracht. Deze vorm van perpetuum mobile is echter onmogelijk in de praktijk te ontwerpen. Onderdelen van apparaten hebben altijd een bepaalde mate van wrijving. Deze wrijving zorgt er voor dat er energie verloren zal gaan. Uiteindelijk zal de wrijving van het apparaat er voor zorgen dat de energie opraakt die het apparaat in beweging moet houden. Het opraken van de energie zorgt er vervolgens weer voor dat het perpetuum mobile stil komt de staan. Een perpetuum mobile moet echter voortdurend in beweging blijven en daarom is de machine die stil is komen te staan feitelijk geen perpetuum mobile. De eerste wet van de van de thermodynamica geeft aan dat dat energie niet verloren kan gaan en daarnaast dat energie ook niet uit niets kan ontstaan. Met name het tweede deel van deze Eerste Hoofdwet geeft aan dat een perpetuum mobile onmogelijk kan bestaan.

De tweede soort waarin perpetuum mobile’s toe kunnen behoren is de variant waarbij een apparaat warmte volledig omzet in mechanische arbeid. In de praktijk is gebleken dat een apparaat niet in staat is om warmte volledig om te zetten in mechanische arbeid. Daardoor is ook deze variant technisch niet haalbaar. De tweede wet van de thermodynamica geeft aan dat perpetuum mobile’s van de tweede soort niet kunnen bestaan. Warmte kan niet volledig worden omgezet in mechanische energie in een gesloten systeem. Extern zal altijd een warme energiebron moeten worden toegevoegd en daarnaast zal er ook een koude- warmte- afvoer nodig zijn.

Perpetuum mobile is fictie
Een perpetuum mobile is op dit moment nog geen realiteit. De eerste twee Hoofdwetten van de thermodynamica maken duidelijk dat het bestaan van een perpetuum mobile in de praktijk niet haalbaar is. Door de eeuwen heen hebben verschillende ingenieurs geprobeerd om een perpetuum mobile te bouwen. Ondanks de vele technische systemen die zijn toegepast is een perpetuum mobile technisch niet haalbaar. In de testopstellingen die door de ingenieurs werden ontworpen bleken er feitelijk twee mogelijkheden: er werd toch een al dan niet verborgen energiebron toegepast of het apparaat functioneerde niet (voor eeuwig). Perpetuum mobile’s zijn fictie tot het tegendeel bewezen is.