Meteorieten en thermodynamica

Alex stelde deze vraag op 31 oktober 2022 om 17:34.

Zie bijlage.

Het correctievoorschrift van het antwoord stelt dat het totaal aan energie van de komeet (op een afstand van 100km van de aarde) de som is van haar kinetische EN zwaartekrachtenergie. Ofwel:

Etot = Ekin + Egrav
en dat vervolgens de zwaartekrachtsenergie moet worden afgetrokken van de kinetische energie om tot het totaal te komen. Terwijl ik  juist in de veronderstelling ben dat de totaalenergie enerzijds gelijk is aan de kinetische energie, en anderzijds aan de zwaartekrachtsenergie (dus niet de som):
Etot = Ekin = Egrav


Wat is hier gaande?

Reacties

Theo de Klerk op 31 oktober 2022 om 18:10
Een totale energie is altijd de som van alle energiesoorten (die van belang zijn bij de berekening).
Dus  Etot = Ekin + Egrav is correct. Waarom zou je slechts een van beide nemen?

En wat bij de komeet het geval is, is dat die veel van zijn massa verloren is. Die massa is in de staart gaan zitten. Bestaande uit deeltjes, die elk een deel van de zwaarte- en kinetische energie van de komeet overnemen en (zonder verlicht te worden) hun eigen leven gaan leiden.
Jaap op 31 oktober 2022 om 18:20
Dag Alex,
Je schrijft: 'dat vervolgens de zwaartekrachtsenergie moet worden afgetrokken van de kinetische energie om tot het totaal te komen.'
Bedenk dat de gravitatie-energie op elke praktische afstand negatief is, uitgaande van de gebruikelijke keuze dat Eg nul is op 'oneindig grote' afstand van de aarde.
Doordat Eg = G·M·m/r een minteken heeft, kan het lijken alsof je de gravitatie-energie aftrekt van de kinetische energie. Dat is slechts schijn. Zoals Theo schrijft: Etotaal=Ek+Eg.
Groet, Jaap
Alex op 31 oktober 2022 om 21:57
Bedankt voor de reacties.@Theo Dit gegeven legt dan een bom onder mijn kennis van energie :P Ik heb altijd meegekregen dat de waardes van alle soorten energie (kinetisch, thermisch, zwaartekracht, fotoon etc) uitwisselbaar, en gelijk zijn met elkaar (behoud van energie).Hoe weet je dat welke soorten energie een systeem (of deeltje) heeft?@JaapHoe kan er sprake zijn van negatieve energie?
Jaap op 31 oktober 2022 om 22:10
Dag Alex,
Bij de gravitatie-energie gaat het niet zozeer om de hoeveelheid in een zeker punt, maar om het verschil tussen de hoeveelheden in twee verschillende punten. Zo is het ook op aarde met de zwaarte-energie. Voor de snelheid onderaan een ski-piste is niet de hoeveelheid zwaarte-energie bovenaan van belang, maar het verschil in zwaarte-energie tussen beginpunt en eindpunt. Dit verschil wordt (grotendeels) omgezet in bewegingsenergie.
We zijn vrij om te kiezen waar we de gravitatie-energie op nul stellen, want alleen het verschil telt. Het is gebruikelijk om te stellen dat de gravitatie-energie op 'oneindig grote' afstand nul is. Als een steen vanaf zeer ver naar de aarde valt, verricht de gravitatiekracht van de aarde positieve arbeid op de steen, die steeds meer bewegingsenergie krijgt. De positieve arbeid moet 'gefinancierd' worden door een afname van de gravitatie-energie. Afname vanaf nul betekent dat de gravitatie-energie negatief wordt; steeds meer negatief naarmate de steen de aarde nadert.
Groet, Jaap
Alex op 31 oktober 2022 om 22:21
@Jaap

Ja, het concept dat naarmate de gravitatie-energie afneemt als (in dit geval) de kinetische energie toeneemt had ik wel begrepen. Ik had alleen vraagtekens bij feit dat het als negatief wordt voorgesteld.

Waarom wordt het nulpunt niet simpelweg in het centrum van de aarde gezet? Dat lijkt mij veel intuitiever (daar houdt de gravitatie van de Aarde immers op)
Theo de Klerk op 31 oktober 2022 om 22:55
Behoud van energie betekent behoud van ALLE vormen van energie tezamen. Die kunnen onderling veranderen (een vallend voorwerp verliest zwaarte-energie maar krijgt er een gelijke hoeveelheid kinetische energie bij - de twee extreme gevallen zijn 1) stilstaand hoog boven: alleen zwaarte energie, 2) geheel beneden met snelheid: alleen kinetische energie.  Gedurende de hele val is de energie constant. Alleen steeds minder zwaarte-energie en steeds meer kinetische energie). De som van alle energiesoorten (hoe de verdeling erover ook is) is constant. 

Bij energie kijk je altijd tov een zelf gekozen nulpunt. En bij berekeningen gaat het steeds om energie-verschillen tussen 2 situaties maar tov hetzelfde gekozen nulpunt.
Vaak is het handig om de oppervlakte van de aarde als nulpunt voor berekeningen te nemen. Soms het centrum van de aarde. Soms het centrum van de zon, soms de rand van het heelal.
Wat je kiest maakt niet uit (hooguit rekent het onhandig) - de verschillen zijn steeds dezelfde. En dat bereken je. Er is niets met energie = 0 J. Of met 106 J. Er is geen absoluut nulpunt voor energie. Alleen maar een begin- en eindsituatie waarbij het energieverschil 0 J of 106 J is. 

(ook bij absolute temperatuur 0 K is er nog steeds energie: de massa kan zich via mc2 is andere vormen van energie omzetten, kan chemisch reageren, kan aan kernreacties deelnemen...)
Jaap op 31 oktober 2022 om 23:12
Dag Alex,
Je vraagt: 'Waarom wordt het nulpunt niet simpelweg in het centrum van de aarde gezet? Dat lijkt mij veel intuitiever (daar houdt de gravitatie van de Aarde immers op)'
De gravitatie-energie van een voorwerp met massa m in het gravitatieveld van de aarde met massa M is (negatief) omgekeerd evenredig met de afstand r tussen de massamiddelpunten, volgens –G·M·m/r.
Als r=0, in het centrum van de aarde, wordt –G·M·m/r delen door nul. Daar kunnen we, natuurkundig gezien, niet mee uit de voeten.
Als de afstand tot het centrum van de aarde nadert tot nul, houdt de gravitatiekracht niet op, maar neemt hij juist onbegrensd toe.
Groet, Jaap
Alex op 31 oktober 2022 om 23:52
Beste Jaap en Theo; ontzettend bedankt voor de tijd die jullie nemen om een antwoord te geven.

Jullie reacties hebben mij inderdaad wel wat nieuw inzicht gegeven; zo had ik nog niet naar het begrip energie gekeken.

@Jaap Zo had ik er nog niet naar gekeken. Ik dacht bijv. inderdaad niet gedacht aan het feit dat, volgens de formule, de energie dan volgens mijn wijze van berekening dan oneindig groot zou worden bij minieme afstanden tot het centrum van de Aarde.

Dan had ik nog een vraag die wellicht boven de moeilijksgraad van VWO ligt: maar wordt het probleem met negatief onbegrensde grootheden het problem dan niet simpelweg verlegd? Als afnemende zwaartekrachtsenergie wordt 'gecompenseerd' met kinetische energie (of warmte door wrijving in de atmosfeer), moet bij minieme afstand tot het zwaartepunt de negatief onbegrensde zwaartekrachtsenergie dan niet 'gecompenseerd' worden met positief onbegrensde energie van een andere vorm?
Alex op 31 oktober 2022 om 23:53
Overigens zou het geen gek idee zijn om accounts mogelijk te maken. Zo kan ik mijn eigen berichtjes bewerken waar nodig :)
Theo de Klerk op 01 november 2022 om 00:00
Dat zit in het huidige systeem niet ingebouwd. Maar handig zou zijn als de schrijver/eigenaar van een bericht dit zou kunnen aanpassen - zoals ook op Facebook en andere fora.
Theo de Klerk op 01 november 2022 om 00:05
>Als afnemende zwaartekrachtsenergie wordt 'gecompenseerd' met kinetische energie [...]

Bijna aan de rand van het heelal is de zwaarte-energie bijv. - 100 J
Een stukje dichterbij is het bijv.  - 600 J
Dat betekent dat  -100 -(-600) = +500 J is vrijgekomen. Positief. Die kan in kinetische energie worden omgezet volgens 1/2 mv2 . Vlak bij de aarde aangekomen is deze kinetische energie al toegenomen tot een waarde die hoort bij v = 11,2 km/s - de ontsnappingssnelheid van de aarde (zo snel moet je van de aarde wegschieten om aan de rand van het heelal 0 m/s snelheid over te houden).

Maar bij het centrum van de aarde (r=0 m) heb je wel een wiskundig/natuurkundig probleem: delen door 0. Dat kan niet en op dat punt is de formule dus ook niet geldig. Maar "gelukkig" neemt als je in de aarde zakt ook de massa die zich binnen een bol met straal r af van aardmassa bij r = R (straal aarde) tot nul bij r = 0 (middelpunt aarde).  Dan is op r= 0 m weliswaar een wiskundige singulariteit, maar op r = 0,00000......0001 m is de massa vrijwel 0 en dus de zwaarte-energie nul omdat  nul gedeeld door elk niet-nul getal nul oplevert.

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Noortje heeft zeven appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Noortje nu over?

Antwoord: (vul een getal in)