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 kWh.
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 = mc2
• 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 kWh = kilowatt timmar
1 kwh = 1000W 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 10N
• Det krävs 3∙10 newton för att motverka
tyngdkraften = 30N
• Vi lyfter upp stenen 2 meter.
• Stenen har fått lägesenergin 30N∙2m = 60Nm
• 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 [kJ/(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 200g vatten 10
grader?
• W=m·c·t
= 200g·4,2·10
= 8400 Joule
= 8,4kJ
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 = mc2
• Massan mäts i kg.
• Därför används ofta Elektronvolt vid beräkningar
Strålningsenergi
• Elektromagnetisk
strålning
• Synligt ljus ca 380 nm780nm
• 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
CO2
Solenergi
För att bilda
Energirika sockerarter
O2
6 H2O +6CO2 +E C6H12O6 +6O2
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
• C6H12O6 +6O2 6 H2O +6CO2 +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 CO2.
• De två sistnämnda behöver vi göra oss av
med.
C6H12O6 +6O2 6 H2O +6CO2 +E
• Vid processen bildas förutom energi vatten
och CO2
• Användningen av fossila bränslen påverkar
klimatet i den sk växthuseffekten.
• Det är inte bara CO2 som kallas växthusgas
• Även vattenånga, dikväveoxid (N2O) och
metan (CH4) 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
6000J
verkningsgrad:= ------------------- t.ex. ---------=75%
tillförd energi
8000J
Till slut
• Tycker ni inte att det har blivit väldigt varmt
här inne?
• Till slut omvandlas all energi till värmeenergi
