Frelsning Fysik sid 300 309 Energi Det finns

Föreläsning Fysik sid 300 -309

Energi • Det finns egentligen ingen enhetlig definition av begreppet energi. • Ofta används ”förmågan att utföra ett arbete” • Eller : ”Lagrat arbete” • Mer korrekt vore: förmåga att omvandlas till en rörelse” jmf potentiell energi • Jmf definitionen av fysikaliskt arbete: ”Arbete sker då man övervinner en kraft samtidigt som en förflyttning sker i motsatt riktning till den övervunna kraften. ”

Energi • Förslag till definition: • Energi är förmåga hos en kropp eller ett system att uträtta ett arbete eller förmå en förändring som kan mätas i Joule eller k. Wh. Ingen aktivitet kan utföras utan energi och den totala mängden energi i universum är konstant.

"Enérgeia” grekiska : befinner sig i arbete • Energy is a condition that describes the capacity to do work. • Enligt Einstein så är Energi = mc 2 • Om vi ska vara riktigt noga skulle varje energiform behöva en egen definition. • Energi är förmågan att värma upp. Även detta är en definition med begränsningar, men utgör en mycket bättre utgångspunkt. Definitionen kan förstås på det konkreta planet och den innehåller på samma gång principen om energins försämring, som allmänt gäller i naturen: all energi strävar i slutändan till att bli värme.

Energiprincipen • Energi kan varken förstöras eller nyskapas utan bara omvandlas mellan olika former. • Den totala mängden energi i universum är konstant. • Det skapas ingen ny energi. • När vi talar om energiproduktion är det i själva verket en omvandling av olika energiformer.

Evighetsmaskiner • Perpetuum mobile • Tanken på en evighetsmaskin har alltid fascinerat människan. • Leonardo da Vinci ägnade en hel del tid åt dessa maskiner. • Maskinen fungerar inte, därför att det på vänstra sidan om axeln alltid finns fler vikter än på högra sidan. • Kraftmomenten är lika stora med- och motsols. • Betraktat ur energiprincipens synvinkel kräver lyftandet av vikterna lika mycket energi som vikterna avger då de faller ner.

De sex energiformerna • Elektrisk energi • Mekanisk energi (delas ofta upp i lägesenergi och rörelseenergi) • Värmeenergi • Kärnenergi • Strålningsenergi • Kemisk energi

Elektrisk energi • Elektrisk energi är relativt lätt att transportera. • Den anses ha hög kvalitet då den är relativt lätt att omvandla. • Elektrisk energi mäts i Watt = joule/s • Ofta används k. Wh = kilowatt timmar 1 kwh = 1000 W per timma • Effekten P = u∙i effekt = spänning (Volt) ∙ strömstyrka (A) • Energi = P ∙ t =effekt ∙ tiden(h)

Elektrisk energi • Vårt samhälle är i mycket uppbyggt kring elektrisk energi. • Utnyttjandet av elektrisk energi förväntas öka. • Det sker ett ständigt arbete för att förbättra och effektivisera elektriska komponenter. • Men elektrisk energi är svår att lagra. • Lätt att transportera men svår att lagra.

Mekanisk energi • Ett föremål får lägesenergi när en kraft motverkas samtidigt som en förflyttning sker i motsatt riktning till den övervunna kraften. • När vi lyfter upp ett föremål motverkar vi tyngdkraften. Det sker ett arbete. Arbete = kraft∙ sträcka • W = f ∙s • W(work)= newton∙ meter. • Men vi utför inte ett arbete när vi lyfter upp en sten och bär den t. ex. två meter.

Mekanisk energi Det utförda arbetet är lagrad energi. En sten som har lyfts upp har fått lägesenergi. S. k. potentiell energi Om vi puttar ned stenen så får den rörelseenergi. • Därför hänger lägesenergi och rörelseenergi starkt ihop. • •

räkneexempel • En sten väger 3 kg och tyngdkraften är ca 10 N • Det krävs 3∙ 10 newton för att motverka tyngdkraften = 30 N • Vi lyfter upp stenen 2 meter. • Stenen har fått lägesenergin 30 N∙ 2 m = 60 Nm • 60 Nm = 60 Joule • Om vi puttar ned stenen så får den i nedslagsögonblicket rörelseenergin 60 J

Värmeenergi • Ett mått på atomers rörelse (egentligen rörelseenergi) • Till slut omvandlas all energi till värmeenergi. • Värmeenergi mäts i joule. • Vid varje energiomvandling bildas värmeenergi. • En viss del energi går förlorad. • Sk spillvärme. • Det är därför perpetuum mobile av princip är omöjligt.

Värmekapacitet • Specifikvärmekapacitet C • Förmågan hos ett ämne att lagra värme • Dvs hur svårt/lätt ett ämne ändrar temperatur Ämne Cp [k. J/(kg∙K)] Cp [J/(mol∙K)] Järn 0, 449 25, 1 Aluminium 0, 897 24, 2 Vatten 4, 190 75, 327 Luft 1, 00 - Etanol 2, 44 112 Obs inte samma som i er bok C= J/(g∙t)

Energi att värma upp vatten • Med följande formel kan vi räkna ut energin som krävs att värma upp vatten. • W=m∙c∙t m = massa (g) c = ämnets specifika värde ( tabeller) t= temperatur (c°) • ex. Energi som krävs att värma 200 g vatten 10 grader? • W=m∙c∙t = 200 g∙ 4, 2∙ 10 = 8400 Joule = 8, 4 k. J

Kärnenergi • I atomer finns lagrad energi. Sk bindningsenergi. • Bindningsenergi är den energi som håller ihop atomkärnan. • Man kan frigöra en del av bindningsenergin genom fission eller fusion. • Energin mäts i joule. Och kan beräknas med formeln E = mc 2 • Massan mäts i kg. • Därför används ofta Elektronvolt vid beräkningar

Strålningsenergi • Elektromagnetisk strålning • Synligt ljus ca 380 nm 780 nm • Ju kortare våglängd desto mer energi. • Majoriteten av energin i solljus finns intervallet med våglängder mellan 200 och 2000 nm • UV-synligt-infrarött

Växter kan lagra energin som finns i solljuset • • I fotosyntesen krävs Vatten CO 2 Solenergi För att bilda Energirika sockerarter O 2 6 H 2 O +6 CO 2 +E C 6 H 12 O 6 +6 O 2

Kemisk energi • När växter lagrar energi från solen omvandlas energin till kemisk energi. • Döda växter och djur med bunden kemisk energi har efter årmiljoner omvandlats till • Kol, olja och gas • Dessa kallar vi för fossila bränslen • Den bundna energin kan frigöras i en process som kallas förbränning • C 6 H 12 O 6 +6 O 2 6 H 2 O +6 CO 2 +E

När vi människor äter • Genom matspjälkningen fördelas maten till proteiner, kolhydrater och fetter. • Den kemiska energin finns framförallt i kolhydrater och fetter. • När kroppen förbränner dessa ämnen frigörs energi, men det bildas även vatten och CO 2. • De två sistnämnda behöver vi göra oss av med.

C 6 H 12 O 6 +6 O 2 6 H 2 O +6 CO 2 +E • Vid processen bildas förutom energi vatten och CO 2 • Användningen av fossila bränslen påverkar klimatet i den sk växthuseffekten. • Det är inte bara CO 2 som kallas växthusgas • Även vattenånga, dikväveoxid (N 2 O) och metan (CH 4) är växthusgaser. • Vi har nu problem med ökande halter av växthusgaser.

Energiomvandlingar

Spillvärme • Vid alla energiomvandlingar bildas värme. • En del av energin förs inte vidare till nästa energiform. Det kan bero på t. ex. friktion. nyttig energi 6000 J verkningsgrad: = ---------- t. ex. -----=75% tillförd energi 8000 J

Till slut • Tycker ni inte att det har blivit väldigt varmt här inne? • Till slut omvandlas all energi till värmeenergi