Hvordan definerer du begrebet energi? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvordan definerer du b...

10. december 2013

Hvordan definerer du begrebet energi?

Hej Spørg om Fysik
Jeg forsøger kun at forstå hvordan videnskaben opfatter verden. Jeg har ikke selv nogen mening om det.

Du skriver det ikke helt stemmer med din opfattelse. Hvor er din opfattelse anderledes end det jeg har skrevet?

Vi bruger tit ordet 'energi' i vores hverdag. Men for mig står det ikke klart hvad ordet energi egentlig dækker over.

Måske energi er udtryk for, at der kan "udføres noget arbejde" angivet i kilojoule eller kalorier. Er det rimeligt at sige sådan, og kan vi komme det nærmere? Sådan som jeg forstår det (ikke = min mening), så er alting jo dybest set energi!

Hvordan definerer du begrebet energi, Malte?

Med venlig hilsen
MRK

Dit udgangspunkt er fint. Du siger, at når noget har energi, har det principielt en evne til at udføre arbejde. I fysikken definerer vi et mekanisk arbejde ud fra længden af den vej et legeme har bevæget sig, gange den kraft i vejens retning man trækker legemet med.

Den mest centrale sætning om energien kaldes termodynamikkens 1. hovedsætning. Een formulering er følgende:

Et mekanisk system der undergår ændringer, hvorunder det modtager en varmemængde Q, og samtidigt udfører et samlet arbejde A, har derved fået en forøgelse ΔU af sin indre energi U bestemt ved

                                      ΔU  =  Q – A

Slagskib skyder. Kemisk energi omsættes til bevægelsesenergi (+varme og lyd)

Alle størrelserne skal naturligvis måles i samme enhed, f.eks.  joule, som er SI enheden for energi.  ΔU  afhænger tydeligvis ikke af vejen arbejdet måtte være udført over, eller af varmemængden, kun af forskellen imellem dem. Hvordan ved vi, at der eksisterer en sådan energi ΔU? 

Den samlede ændring  fra begyndelsestilstand til sluttilstand kunne gennemføres på mange forskellige måder med mange mellemtilstande, som har forskellige værdier for Q og A taget hver for sig, men uanset hvordan man gør, vil ΔU altid have samme værdi. - Det er en erfaring overalt fra fysikken. Det berettiger os til at kalde den indre energi U for en tilstandsfunktion, dvs. en funktion, der kun afhænger af systemets øjeblikkelige tilstand, f.eks. temperaturen og trykket af en given mængde messing. U er altså uafhængig af systemets præcise forhistorie, men afhænger kun af startbetingelserne samt størrelsen af Q og A.

En varmemængde kan måles ved den opvarmning (temperaturændring), den giver f.eks. en kendt isoleret vandmængde, eller ved det arbejde, som kan resultere i, at  ΔU = 0.

Dampturbine, den varme kedel tv, vandkølet kondensor th.

Forskellige energikilder

Nu er der mange energikilder, f.eks. elektricitet, som kan bevæge en genstand via en elektromotor, eller opvarme noget - f.eks. en dyppekoger. Ved radioaktivitet afgiver henfaldene varme, og kan altså opvarme en genstand (ved Jordens dannelse blev Jorden smeltet 2. gang på grund af opvarmningen fra de radioaktive stoffer se: Hvordan opstod Jordens kerne?

Bueskytte, fjederenergi omsættes til bevægelsesenergi

Et legeme i mekanisk bevægelse, f.eks. en bil der kører med 110 km/h, besidder bevægelsesenergi (kinetisk energi). Ved en hård opbremsning omsættes energien til varme, delvist imellem dæk og vej, og delvist i bremseskiverne, som kan være synligt glødende i mørke. Der er mange andre eksempler: Strålingsenergi (solfangere, solceller), kemisk energi (batterier, trotyl, olie- eller gasfyr), mekanisk energi i form af rotationsenergi (svinghjul, gyroer), den nævnte el-energi, fjederenergi (ure, luftgeværer), tyngdeenergi  f.eks. vandkraftværker osv.

Vindmølle, vindenergi omsættes til rotationsenergi

Termodynamikkens 1. hovedsætning.

Fysikkens tese er, at energi er en størrelse, som er bevaret. Dvs. den kan ikke forsvinde eller komme af sig selv. Dette er netop indholdet af termodynamikkens 1. hovedsætning.

Det er imidlertid ikke al energi, der kan omsættes til for os brugbar energi. En vindmølle bremser vinden bag vingerne, men der er ikke vindstille bag møllen. Der er en maksimal del af vindenergien der kan udnyttes, luften bag møllen kan ikke hobes op men skal blæse væk. Man kan regne ud hvor meget energi man maksimalt kan få ud af vinden med en given mølle.

Tilsvarende ved vi, at en dampmaskine kan udføre arbejde ved at vandet opvarmes til damp med højt tryk, som driver maskinen rundt. En nøjere gennemtænkning viser, at der faktisk er to temperaturer: den i kedlen med dampen, og temperaturen det sted hvor dampen kommer hen. Dampens tryk afhænger kun af temperaturen, så hvis man ledte den hen til samme temperatur, ville trykket være det samme på begge sider; altså ville dampen ikke mere strømme igennem maskinen. Kondensoren i en dampkraftmaskine skal have en lavere temperatur end dampen, des lavere des bedre. Det er grunden til at kraftværker ofte ligger ved havet, søer eller floder. Man skal have en lav temperatur at fortætte dampen ved. Maskiner som skal gå ved varmekraft skal altid være i kontakt med to temperaturer, varmen flyttes fra den høje temperatur til den lave, og samtidig omsættes en del af den til arbejde. Ønsker man at flytte varmeenergi den anden vej skal man selv udføre et arbejde; tænk f.eks.  på et køleskab.

Elbilbatteri, kemisk energi omsættes til elektrisk energi som omsættes til bevægelsesenergi

Varmeteoriens 2. hovedsætning

Man har en sætning der hedder varmeteoriens 2. hovedsætning. Den  siger, at hvis man kun har én varmekilde, dvs. én temperatur i sit forsøg, kan man ikke få energi ud. Hvis man altså har en dampbeholder med højt tryk (høj temperatur!) og havvand ved 12 grader, kan man lave f.eks. elektricitet med en dampmaskine eller turbine. Har man derimod kun havvand ved 12 grader, kan man ikke lave elektricitet og samtidigt afkøle vandet (som jo principielt indeholder energi i kraft af, at vi kunne gøre temperaturen lavere); det kræver, at vi har endnu et sted med en lavere temperatur, vi kan flytte varmeenergien til, og derved få noget energi ud under flytningen af varmeenergien.

Den naturlige vej for varmeenergi er altid at gå fra et varmt sted til et koldere (frivilligt). Den modsatte vej skal vi tilføre energi, i form af arbejde.

Glødende bremseskive. Bevægelsesenergi omsættes til varmeenergi

Vi kan altså identificere energi ved at vi kan få udført arbejde. På den anden side er der enorme energimængder i f.eks. havene; men vi kan kun udnytte denne energi, hvis vi også har en anden (lavere) temperatur til rådighed. Det er så i øvrigt denne sætning som siger, at man ikke kan lave evighedsmaskiner. Kommer der ingen energi ind, kommer der ingen energi ud igen (og så er der jo altid gnidning og luftmodstand osv.).

Energikilder

Vores energi i dag kommer fra flere kilder. Hovedkilden er solen som opvarmer jorden og i kraft af sin fusionsproces vil gøre det i de næste ca. 4,5 milliarder år. Solstrålingen kommer fra Solens overflade, hvor temperaturen er meget høj, ca. 6000 grader. Den modtages ved Jordoverfladen, hvor temperaturen er meget lavere. Denne energitransport ville stoppe, hvis de to temperaturer var ens (termisk ligevægt).


Rjukan kraftværket (N). Beliggenhedsenergi omsættes til bevægelsesenergi og ender som elektrisk energi. Rørene er flere meter i diameter

Solenergien udnytter vi ved hjælp af solfangere, solceller, vind, bølger og vandkraft (solen sørger for regnvejr som fylder de højtliggende områder vandet kommer fra). Indirekte giver solen energi til alle planter; dem brænder vi dele af og de leverer mad i form af grøntsager og kød. Fortidens sol er ansvarlig for størstedelen af kullejerne, olie og gas (noget kommer dog med meteoritter). Vi får kemisk energi fra en række stoffer som vi graver op. Atomkraft (kerneenergi) fra metaller der graves op (og måske engang fra vand i form af fusion). Der kommer også energi fra jordens varme kerne som udnyttes visse steder.

   

   

Med venlig hilsen
Finn Berg Rasmussen
Malte Olsen