Energi

Energi´ (latin energi´a, av grekiska ene´rgeia”verksamhet”, ”handlingskraft”) ett abstrakt begrepp som är icke materiellt. Historiskt kan begreppet hänföras till Galilei på 1600-talet, men tvåhundra år senare utvecklades det och kunde klargöra drag hos naturen, bl.a. sambanden mellan arbete, värme och rörelse.

Energiprincipen, en fysikalisk lag (grundad på erfarenhet): energi inte kan förintas eller nyskapas, utan bara omvandlas från en energiform till en annan. Olika slags energiformer är t.ex. mekanisk, elektrisk, magnetisk, termisk (värme) och kemisk energi, strålnings- och kärnenergi. Energiprincipen kan uttryckas genom att säga att energin i ett slutet system är konstant. Energiprincipen kallas också för termodynamikens första huvudsats. Även massa kan enligt relativitetsteorin(Einsteins E=m*C2 energi=massa × (ljushastigheten)2) betraktas som en form av energi.

Energi mäts i joule (J), en vardagligare enhet är kilowattimme (kWh). Energi per tidsenhet kallas effekt. Effekt mäts i joule per sekund (J/s), benämnd watt (W). Begreppet energi är nära förbundet med begreppet kraft. En kraft som bringar en kropp i rörelse uträttar ett arbete på denna, varvid kroppens energi ökar, arbetets storlek är lika med kraften.

Olika energiformer

• Mekanisk energi är en energi som är kinetisk eller potentiell (läges eller rörelseenergi.)

• Den termiska energin rörelsen hos molekylerna. Värme kan tillföras eller bortföras från ett system, varvid den termiska energin ändras. När värme avges från eller upptas i en given mängd materia ändras temperaturen hos materian, som kan vara gas, vätska eller fast kropp. Den specifika värmekapaciteten, som anges i J/(kg•°C), anger hur stor temperaturändring som erhålls i en bestämd mängd materia för en viss till- eller bortförsel av värme.

• Inom elektricitetsläran behandlas energin hos stationära och rörliga laddningar. Atomer hålls samman av elektriska krafter mellan kärnans positiva och elektronernas negativa laddning. Molekyler hålls samman på ett liknande sätt, och kemisk energi baseras därför på den elektriska kraften. Kemisk energi binds eller frigörs vid kemiska reaktioner. När kol och väte förenar sig med syre vid förbränning och bildar koldioxid respektive vatten frigörs kemisk energi i form av värme.

• Kärnenergi, handlar om krafterna i atomkärnan som är mycket starka men har en räckvidd av endast ca 10–15 m, vilket motsvarar atomkärnans dimensioner. Genom relativitetsteorin fås ett samband mellan massa och energi. Sambandet är energi=massa × (ljushastigheten)2. Ljushastigheten är mycket stor och mycket energi frigörs alltså om en liten massa omvandlas till termisk energi(värmeenergi), t.ex. vid kärnreaktioner. Det mest kända av sådana exempel är delningen (fissionen) av uranatomer i ett kärnkraftverk eller i en kärnvapenexplosion.

• Solstrålningen har sitt ursprung i omvandling av materia till energi genom en kedja kärnreaktioner där lätta atomkärnor slås samman till tyngre, en liten del av deras massa övergår till kinetisk (rörelse) energi hos de nybildade atomkärnorna, vilket ger solen dess höga temperatur.

Omvandling av energi
Vissa energiomvandlingar är fullständiga: exempelvis kan den kinetiska energin helt omvandlas helt till värme, men det omvända gäller inte. En värmemängd kan bara till en del omvandlas till arbete (t.ex. i en ångturbin). Verkningsgraden i detta fall definieras som kvoten(skillnaden) mellan det erhållna nyttiga arbetet och den tillförda värmemängden. Allmänt gäller att det inte finns någon process där man ur en enda värmekälla kan ta ut värme som helt omvandlas till mekaniskt arbete. Detta är en formulering av termodynamikens andra huvudsats (Kelvins formulering).

Energitransport
Transport av energi kan ske genom strålning, konvektion och ledning, eller genom transport av energibärare, t.ex. elektricitet, olja, naturgas eller ånga. Energi kan också överföras genom mekanisk kraftöverföring eller hydrauliska/luftdrivna system.
• Strålningen är vanligen elektromagnetisk. Elektromagnetisk strålning omfattar ett mycket stort våglängdsintervall och innehåller bl.a. radiovågor, värmestrålning, synligt ljus, ultraviolett strålning och röntgenstrålning. Värmestrålning avges av alla kroppar. Om en kropps temperatur är lägre än ca 500 °C är huvuddelen av strålningsenergin infraröd. Vid högre temperaturer avges en ökande del av strålningen i det synliga. Desto högre temperaturen är, desto mer energi avges med strålningen Energiflödet från solen till jorden sker genom strålning.

• Konvektion är värmetransport genom att en gas eller vätska för med sig värme. Ett värmeelement värmer t.ex. ett rum både genom värmestrålning och genom att värme förs över direkt till luften. Den uppvärmda luften stiger och för därmed genom konvektion med sig värme från värmeelementet.

• Ledning av värme sker genom all materia. Den drivs av en temperaturskillnad, och någon samtidig transport av massa, som vid konvektion, sker inte. Värmetransporten är proportionell mot temperaturskillnaden och materialets värmeledningsförmåga. Energitransport genom värmeledning kan underlättas eller försvåras genom val av material med hög eller låg värmeledningsförmåga.
Energilagring
Energi kan lagras på många sätt, t.ex. genom att man behåller vatten i en högt belägen damm. Energi kan också lagras som kinetisk energi i ett svänghjuls rotation, eller i kemisk form i ett bränsle eller i en ackumulator. Värme kan lagras i en isolerad materia eller genom utnyttjande av fasövergångar, t.ex. genom utnyttjande av vattnets ångbildnings- eller smältvärme. Energilagring spelar stor roll för anpassningen av energitillförseln till den tidpunkt under dygnet eller året då energin efterfrågas.

Människans energibehov
Människans fysiologiska energibehov uppgår i vila till ca 0,1 kWh per timme, (2 400 kcal per dygn) och tillgodoses genommaten. Energi behövs också för framställning och tillredning av mat samt tillverkning och utnyttjande av bostäder, transportmedel och all övrig utrustning människor använder. För att tillgodose dessa energibehov har omfattande system för energiförsörjning byggts. Dessa utnyttjar främst fossila bränslen som primärenergi. För att erhålla en viss nytta i form av varm bostad, lagad mat från spisen, låg temperatur i kylskåpet, bild på TV-skärmen behöver man använda olika mycket energi, beroende på hur de apparater som använder energin är utformade.

Energienheter
Energi har SI-enheten joule (J), vilket är detsamma som wattsekund (Ws) eller newtonmeter (Nm).

Termodynamik =läran om värmets natur och dess omvandling till andra energiformer.

Termodynamikens huvudsatser. I en makroskopisk värld kan satserna betraktas som obevisade axiom (självklart riktiga påståenden). Beräkningar av verkningsgrad och prestanda sker i det sammanhanget med utgångspunkt från egenskaper som volym, tryck och temperatur. I den mikroskopiska världen relateras materiens egenskaper till atomerna och molekylerna och deras rörelser. Gasens tryck mot en vägg orsakas av molekylernas stötar, temperaturen är ett uttryck för atomernas och molekylernas värmerörelse.

• Termodynamikens nollte huvudsats
Två kroppar som var för sig är i termisk jämvikt med en tredje kropp, står även i termisk jämvikt med varandra.

(Satsen formulerades efter första och andra huvudsatsen men bör ändå rangordnas före dem.) Satsen uttrycker det faktum att två kroppar i kontakt med varandra antar samma temperatur. Om de skulle ha olika temperatur övergår värmeenergi från den varmare till den kallare kroppen, tills det utjämnats.
• Termodynamikens första huvudsats
Energi kan inte förintas eller nyskapas; den kan endast omvandlas mellan olika energiformer.

Fysikens kanske viktigaste sats vilken har olika ordvändningar en är: energin i ett slutet system är konstant. Mekanisk eller elektrisk energi kan omvandlas till värme genom friktion resp. genom elektrisk ström i ett motstånd. Massa är en form av energi som t.ex. i kärnreaktorer omvandlas till annan energi. Energiomvandlingar lyder dock bestämda lagar.

• Termodynamikens andra huvudsats
Det finns ingen process vars enda resultat är att värme överförs från en kallare till en varmare kropp (Clausius).

Det finns ingen process vars enda resultat är att värme från en enda värmekälla helt omvandlas till mekaniskt arbete (Kelvin).

Makroskopiskt uppfattar vi att värme spontant flyter från en varm till en kall kropp, aldrig tvärtom. Clausius formulering av andra huvudsatsen kan tyckas självklar, framför allt om man betraktar värme som en rörelse hos materiens smådelar. Om en kall och en varm kropp kommer i förbindelse med varandra är det orimligt att tänka sig att den svagare molekylrörelsen i den kalla kroppen avtar medan den varma kroppens molekylrörelse blir än intensivare. Värmeenergi intar en särställning genom att den är kopplad till den oordnade molekylrörelsen. Man vet att t.ex. mekanisk energi fullständigt kan övergå till värmeenergi men att omvändningen inte utan vidare är möjlig. Som ett mått på oordning används en termodynamisk storhet,entropi, S. Produkten av entropi och temperatur har dimensionen energi.

• Termodynamikens tredje huvudsats
Entropin för en ren kristallin substans är noll vid absoluta nollpunkten (Nernsts värmeteorem).

Entropin/oordningen blir noll då materiens atomer endast kan ordnas på ett enda sätt. Detta är fallet i en perfekt kristall då värmerörelsen har avstannat. En följd av satsen är att exempelvis att längdutvidgning eller specifik värmekapacitet, går mot noll vid absoluta nollpunkten.

Tillståndsvariabler
Egenskaperna hos ett fysikaliskt system anges med tillståndsvariabler. De delas in i två grupper beroende på om de beror av mängden materia eller ej. Temperatur och tryck är oberoende av mängden materia. De representerar en intensitet och kallas därför intensiva variabler. Volym däremot beror av mängden materia. Den kallas en extensiv storhet. Energi kan skrivas som produkten av en intensiv och en extensiv egenskap, t.ex. tryck × volym = energi.

Termodynamisk process
Innebär en ändring av tillståndet hos ett system. Om t.ex. en värmemängd Q tillförs ett system vid konstant volym (isokor process) ökar systemets inre energi, U, och därmed temperaturen. Detta uttrycks med en materialegenskap, den specifika isokora värmekapaciteten, cV, som utgör den värmemängd som fordras för att höja temperaturen 1 grad för 1 kg av ämnet. Om i stället trycket är konstant (isobarprocess) åtgår mera värme p.g.a. att systemet även expanderar och utför ett arbete mot omgivningen Den specifika isobara värmekapaciteten, cp, är alltid större äncV,


TERMODYNAMIK
http://www.ne.se/lang/termodynamik
NATIONALENCYKLOPEDIN, 2011-04-05