Energi
Undervisningsopplegg laget av Johan Nygaard
for Vitenfabrikken i Sandnes.
Energi-former:
• Mekanisk energi (kinetisk, potensiell)
• Elektrisk energi (batteri, kondensator)
• Termisk indre energi (molekylene og atomene
er i stadig bevegelse)
• Kjemisk energi (olje, planter, mat)
• Kjerne-energi (E=mc2)
Energi-transport:
•
•
•
•
•
Varme (fra varmt til kaldt)
Arbeid (W=F·s)
Stråling (sollys, γ-stråler)
Strømning (elv, elektrisk strøm)
Eksplosjon (fisjon, fusjon)
Det er under energi-transport at vi får
nyttiggjort oss energien.
Termodynamikkens 1. lov
(energi-loven):
Energi kan ikke bli skapt av ingenting,
og energi kan heller ikke forsvinne.
Energien kan bare skifte form.
Når du dreier på rattet
utfører du et arbeid, og
kroppen gir fra seg energi.
Kulene mottar energien.
De løftes oppover og får
potensiell energi.
Når kulene renner nedover
går kulenes potensielle
energi gradvis over til
kinetisk energi, både i
kulene og i sykkelhjulene.
Hvor blir det av energien
til slutt, etter at kulene har
kommet helt ned og
sykkelhjulene har stanset???
Indre termisk energi
T1=350K
Varmt
vann
T2=300K
Kaldt
vann
Indre termisk energi
T1=350K
Varmt
vann
T2=300K
Kaldt
vann
Vannmolekylene
beveger seg raskt
Indre termisk energi
T1=350K
T2=300K
Varmt
vann
Kaldt
vann
Vannmolekylene
beveger seg raskt
Vannmolekylene
beveger seg langsomt
Brownske bevegelser:
Her skal det ligge en film som dessverre er utilgjengelig
via nettsidene.
Røykpartiklene dyttes i bevegelse av luftmolekylene,
som er i stadig bevegelse:
Her skal det ligge en film som dessverre er utilgjengelig
via nettsidene.
Temperaturen jevnes ut når energi
transporteres fra varmt til kaldt vann:
T1=350K
Q=8400 J
T2=300K
Temperaturen jevnes ut når energi
transporteres fra varmt til kaldt vann:
T1=325K
Q=8400 J
T2=325K
Energien er fremdeles til stede i vannet.
Men den er nå jevnt fordelt på vannmolekylene.
Det er derfor feil å si at vi bruker opp energien.
Termodynamikkens 2. lov
(entropi-loven):
Varme kan ikke gå av seg selv
fra et legeme med lav temperatur
til et legeme med høy temperatur.
Denne loven sier noe om hvilken retning naturprosessene går i.
Loven kan også formuleres slik:
Naturprosessene går alltid i en slik
retning at systemets entropi øker.
T1=350K
T2=300K
Q=8400J
Entropien avtar:
Q/T1 = 8400/350 J/K = 24 J/K
Entropien øker:
Q/T2 = 8400/300 J/K = 28 J/K
Netto entropi-økning: 28 J/K – 24 J/K = 4 J/K
Før energitransporten hadde vi 8400 J med nyttbar energi.
Dette kalles høyverdig energi, eller nyttbar energi, eller
energi med høy kvalitet.
Etter at energitransporten har funnet sted, er det fortsatt
8400 J til stede i vannet, men nå er energien jevnt fordelt
på alle vannmolekylene. Da er energien ikke lenger nyttbar.
Energien kalles da lavverdig energi, eller unyttig energi,
eller energi med lav kvalitet .
Det er altså feil ordbruk å si at vi har brukt opp energien.
Energien er fortsatt til stede, men den er ikke lenger nyttbar.
I daglig tale sier vi ofte bare «energi» når vi egentlig mener
«høyverdig energi» eller «nyttbar energi».
For å kunne drive en maskin, må vi ha tilgjengelig
høyverdig energi.
Det er mens energien er underveis fra høyverdig til
lavverdig energi, at energien kan benyttes til å
drive en maskin.
Det er altså under slik energi-transport at vi kan få
en maskin til å utføre nyttig arbeid.
Dampmaskin
T1=350K
T2=300K
W = 6000 J
Q1=8400J
Q2=2400J
Maskin
Virkningsgrad: f = W/Q1 = 6000/8400 = 71,4%
En virkningsgrad på 100% er umulig !
Dampmaskin
Dampmaskin
Kjør dampmaskinmodellen i utstillingen.
Registrer følgende data:
Damptrykk:________
Slaglengde:________
Sylinderdiameter:________
Omdreiningstall:________
Lyspæras spenning:________
Lyspæras strømstyrke:________
Beregn ut fra dette maskinens virkningsgrad.
Varmepumpe kan virke som airconditioner:
Varme-pumpe kan gi oppvarming:
Vi tilfører 2000 J elektrisk energi.
Inne
Q1=8400J
Kondensor
W = 2000 J
Q2=6400J Ute
Fordamper
Varmefaktor: η = Q1/W = 8400/2000 = 4,2
Hvordan virker
drikkefuglene ?
Hvordan virker Drikke-fuglen ?
Væsken og dampen inne i fuglen er
diklormetan CH2Cl2, som fordamper
meget lett, kokepunkt ca 40oC.
1. Vann fordamper fra den røde filten på
utsiden av hodet.
2. Energi til dette hentes fra diklormetandampen inne i hodet.
Energitransport-symbol:
3. Dampen inne i hodet avkjøles da nok til at
den kondenseres.
Drikke-fuglen
4. Når dampen i hodet kondenseres får vi
vakuum inne i hodet.
5. Noe av væsken fra bunnen suges opp i
hodet på grunn av undertrykket i hodet.
6. Fuglen blir topp-tung i hodet, og den
vipper forover.
Drikke-fuglen
7. Når fuglen vipper, kommer nedre
ende av hals-røret opp av væsken, og
nebbet kommer ned i vannglasset.
8. Væsken i hodet renner tilbake til
bunnen, og det stiger ny damp opp i
hodet.
Energi til å danne denne dampen tas
fra lufta i utstillingshallen.
9. Nebbet fuktes utvendig med nytt
vann fra vannglasset.
Drikke-fuglen
10. Når væsken som var i hodet
har runnet tilbake til bunnen, blir
bunnen så tung at fuglen retter seg
opp igjen.
11. Deretter gjentar hele syklusen
seg.
Konklusjon:
Det er energi fra lufta i utstillingshallen som varmer opp væsken inne i fuglen slik at
den fordamper. Det er denne energien som driver fuglen.
Lufta i utstillingshallen tappes altså for litt energi, og temperaturen i utstillingshallen
synker litt når fuglen står og vipper!
I alle prosesser synker energikvaliteten.
All energi vil etter hvert omformes
til lavverdig termisk energi.
Temperaturene i systemet vil jevne seg ut,
og alle temperaturforskjeller vil etter
hvert forsvinne.
Det blir vanskeligere og vanskeligere å finne
temperaturforskjeller som vi kan dra nytte av.
Jordas temperatur
Med Stefan-Boltzmanns lov kan vi beregne hvilken temperatur
jorda ville hatt, når vi kjenner den utstrålte effekten fra jorda.
Med naturlig drivhuseffekt:
Utstrålt effekt er da 390W/m2
Og vi får vi temperaturen: + 15 C
O
Uten naturlig drivhuseffekt:
Utstrålt effekt er da (342-107)W/m2 =235W/m2
Og vi får vi temperaturen: - 19 C
O
Uten den naturlige drivhus-effekten ville det
ikke ha kunnet bo mennesker på jorda. Det
ville vært for kaldt!
Men drivhus-effekten må ikke bli for stor.
Det er livsviktig for menneskene på jorda at vi
ikke ødelegger den hårfine energi-balansen som
vi har i naturen.
Vi må IKKE ØKE drivhus-effekten!