Nya ämnesplaner i fysik för gy
Energibegrepp
Syfte:
• …förståelse av fysikens betydelse i samhället…
• …olika tillämpningar inom till exempel teknik,
medicin och hållbar utveckling.
• …kan delta i samhällsdebatten och diskutera
etiska frågor och ställningstaganden.
Centralt innehåll:
• …Energiresurser och energianvändning för ett
hållbart samhälle…
och deras relationer,
i fysiken och i samhället
Seminarium Karlstad 7 okt 2010
Mats Areskoug
16 Energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
1
”Fysik utan dragningskraft”
Energibegrepp
•
•
•
•
•
•
Skolinspektionens kvalitetsgranskning
av fysik i grundskolan:
• Faktakunskaper får stort utrymme på
bekostnad av fysik i samhället
• Läromedlen saknar kopplingar till
samhällsutveckling, etiska dilemman,
hållbarhetsperspektiv mm
Energiformer
Energitjänst
Energislag
Energibärare
Energikällor
Primär energi
Energi, vad är det
Energiformer
• Grundläggande begrepp
• Beskriver förändringar
• Kan ej skapas eller förintas
(Energiprincipen)
• Uppträder i olika energiformer
16 Energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
• Kinetisk energi
• Potentiell energi
• Termisk energi,
”Värme”
• Strålningsenergi,
elektromagnetisk
strålning (gamma, UV,
ljus, IR, radio etc)
7
16 Energi
• Elektrisk energi
• Kärnenergi
• Kemisk energi (energi i
bränslen, energi i maten,
muskelenergi, energi som
binds vid fotosyntesen
etc.)
Mats Areskoug, Malmö högskola
11
Arbete och potentiell energi
Begrepp med relation till energi
• Arbete är den mängd energi som överförs
av en kraft vid förflyttning
• Potentiell energi (lägesenergi) tillförs när vi
lyfter ett föremål i ett (konservativt)
kraftfält.
• Gravitationsfält
• Elektriskt fält
• Kärnkraftsfält
16 Energi
Kemisk energi är en form av
potentiell energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
14
Hur många energiformer finns
egentligen?
• Kinetisk energi
• Potentiell energi
• Elektrisk energi
– Spänning =
elektronernas potentiella
elektriska energi
– Gravitation
– Elektrisk
– Kärn
• Kemisk energi
– Potentiell elektrisk
energi mellan atomer
• Inre energi
– Partiklars rörelseenergi
och potentiella elektriska
energi
• Strålningsenergi
– Potentiell energi i
elektriskt fält
• Kärnenergi
– Potentiell energi i starka
kärnkraftens fält
Källa: G Helldén m.fl: Vägar till
naturvetenskapens värld.(2010)
16 Energi
Massa och energi
• I vardagsvärlden: Massa och energi
bevaras var för sig. Materia kan bära på
energi i olika former, men omvandlas ej till
energi.
• I kärnfysiken: Massa kan ses som en
energiform, E=mc2.
Mats Areskoug, Malmö högskola
16
Effekt, verkningsgrad mm
• Effekt
– energiomvandlingshastighet (J/s = W)
• Energiflöde
– energitransporthastighet (J/s = W)
• Intensitet
– effekttäthet (W/m2)
• Verkningsgrad
– andel energi som kommit till nytta (%)
• Värmefaktor / köldfaktor
– andel nyttig energi / tillförd köpt energi
16 Energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
19
Termodynamikens första lag,
energiprincipen
• Vid varje förändring är totala energin lika
stor före som efter
• Energi kan varken skapas eller förintas,
bara omvandlas mellan olika former
• Ingenting försvinner
Tillförd energi
16 Energi
Upplagrad
energi
Energianvändning och
energitillförsel
Avgiven energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
Tillförselperspektiv
21
Energitjänst
Användarperspektiv
Energitjänst – till vad behöver vi energi, vilka
tjänster gör energin oss?
Primära
energikällor
– Mat
– Lagom temperatur
– Bra belysning
– Tillredning o förvaring av mat
– Resor o transporter
– Tillverkning av varor
– Information o kommunikation
Energi Energitjänster
16 Energi
Energibärare
• Olika sätt att utvinna energi ur
naturresurser, t.ex. :
– Bensin (kemisk energi)
– Fjärrvärmevatten (termisk energi) etc.
– vindenergi
– geotermisk energi
– kärnenergi
– fossila bränslen etc.
• Andra energibärare:
– El
– Solstrålning etc.
Mats Areskoug, Malmö högskola
24
Energislag
• Energin är inte materia, men bärs ofta av
materia:
16 Energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
25
16 Energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
26
Energitillgångar
Energiframtiden, tre vägar
Typ av tillgång
Exempel
Lager
Uran, fossila bränslen
Fonder
Vattenkraftsdammar,
biobränsle
Flöden
Solstrålning, vind-,
vatten-, geotermisk
energi
16 Energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
Fossilenergi
• Kol
• Olja
• Fossilgas
Kärnenergi
• Fission
• Fusion
Förnybar (flödande) energi
• Solenergi
• Geotermisk energi
• Gravitation (tidvatten)
27
16 Energi
•Solvärme
•Solel
•Värme från luft, mark och vatten
•Vattenenergi o vindenergi
•Bioenergi
Mats Areskoug, Malmö högskola
Från primär energi till energitjänst
Primär energi
Energikälla
Energislag
Energibärare
Energitjänst
Solenergi
Solstrålning
Solvärme
Solcells-el
Atmosfär
Vattenvågor
Hav o sjöar
Vattendrag
Mark o
berggrund
Vind-el
Våg-el
Vatten-el
Ytjordvärme
Luftvärme
Sjövärme
Strålning
El
Bränslen
Värmebärare:
Luft
Vatten
Mark
Skog o andra
grödor
Biobränsle
Fossilenergi
Gasfält
Oljefält
Kolgruvor o
dagbrott
Fossilgas
Fossilolja
Sten- o brunkol
Mat
Belysning
Termisk komfort
o hygien
Matberedning o
–förvaring
Information o
kommunikation
Resor o
transporter
Varuproduktion
Kärnenergi
Urandagbrott
Kärnbränsle
(uran mm)
Sveriges elproduktion
28
Energins
ursprung
- från
Big Bang
till vindenergi
16 Energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
31
Elproduktion och elanvändning
Fjärrvärmeproduktion
Energiflödesgraf, Sankeygraf
Exempel:
Ångturbinen
Energiflöden Sverige, Sankeygraf
Energikvalitet
Energislag
Energiomvandling
Energibärare
Värmekraftverk
• Kan det
fungera?
Energianvändning
• En
tryckskillnad
är nödvändig
för att
turbinen
skall snurra.
• Alltså måste
ångan kylas
på frånsidan
av turbinen.
• Men när
ångan kyls
går en del av
energin
förlorad till
kylvattnet
Tryckskillnad genom
kylning
Värmemaskinens verkningsgrad
• Olika energiformer går att omvandla till
varandra i olika omfattning
• Energi som kan omvandlas till alla andra
former är mer användbar – har högre
kvalitet
• Exergi (joule) är den del av energin som
går att omvandla till rörelseenergi
• Kvalitetsfaktorn q (%) anger hur stor del
av energin som utgörs av exergi
Carnotverkningsgrad
OBS temperaturer i Kelvin
ηarbete =
W T1 − T2 ∆T
≤
=
Q1
T1
T1
Entropi
20 oC
Termodynamikens andra lag
Allting sprider sig
Värme går från hög till låg temperatur
Oordningen ökar
Energin blir mindre användbar
Exergin minskar
Entropin ökar
0 oC
Entropi är ett mått på molekylernas oordning
Entropiförändringen ∆S när man tillför
värmemängden ∆Q är:
∆S =
Energikvalitet, exergi
∆Q
T
16 Energi
SLUT
16 Energi
Mats Areskoug, Malmö högskola
58
Mats Areskoug, Malmö högskola
54
