Energi- teori

Hvad er energi | Former for energi | Energiomsætning | Virkningsgrad (nyttevirkning) | Energibevarelse | Energitransport (stråling, ledning, strømning, mekanisk) | Måling af energi | Tal på bevægelsesenergi | Tal på potentiel energi | Tal på indre energi | Tal på el-energi | Ideer til videre undersøgelser og projekter

Hvad er energi?

Energi er evnen til at udføre arbejde - at "få gang i noget"

Eksempler:
En tung sten, man løfter op, kan falde ned og ødelægge et gulv. Stenen må "indeholde energi" eller "være i besiddelse af energi", siden den kan smadre gulvet.
En bil, der drøner ud ad motorvejen kan smadre andre trafikanter og sig selv. Den må besidde energi.
En bombe eksploderer og ødelægger et hus. Bomben er sprængfyldt af energi.
Du kan cykle, rende og hoppe. Du er fuld af energi.
Med en fjernbetjening kan du tænde et TV. Du overfører energi fra fjernbetjeningen til TV'et

Former for energi
I naturvidenskab er det vigtigt være helt klar over, hvad vi snakker om. Vi må skabe nogle klare begreber. Det, vi lægger i begrebet energi i daglig tale er for upræcist i fysik og kemi. Forskellige mirakellæger taler fx om "energierne i vores aura", "energibaner i kroppen", "jordstrålingsenergi" osv. Eller du siger: "Jeg er sprængfyldt af energi i dag." 
Den slags løse formuleringer kan vi ikke bruge til noget videnskabeligt.

Der findes mange "slags" energi, men vi plejer at inddele i tre grundlæggende former:

  1. Bevægelsesenergi (kinetisk energi). Alle ting i bevægelse indeholder energi, for de er i stand til at "sætte gang i noget", hvis de rammer det. 
  2. Potentiel energi. Det kan fx være den energi, der er i en sammenpresset fjeder eller i en sten, der ligger højt oppe.
  3. Indre energi er den energi, der er "gemt" i et stof eller et materiale. Det er fx varmeenergi og kemisk energi. De forskellig slags indre energi er faktisk former for bevægelses- og potentiel energi. Fx er varmeenergi summen af molekylernes bevægelsesenergi.

Som underformer har vi bl.a. el-energi, kerneenergi (atomenergi), strålingsenergi (bl.a. lysenergi) og lydenergi

Energiomsætning
De forskellige slags energi kan omdannes til andre former, eller den samme genstand kan besidde flere slags samtidig. Fx har en faldende sten både potentiel- og bevægelsesenergi, og under faldet bliver der mindre af den første slags og mere af den sidste.

Energien fra solens stråler bliver til 

bullet varmeenergi, når de rammer en mørk flade
bulletel-energi, når de rammer en solcelle
bulletkemisk energi, når de rammer grønkornene på planternes blade

Den sidste type energiomsætning er fundamental for livet på jorden, uden den var planeten formentlig øde som månen.

Flere eksempler:
I en pind, der brænder omsættes kemisk bindingsenergi til varmeenergi.
I et elektrisk ur omsættes kemisk energi i batteriet til el-energi som igen bliver til bevægelsesenergi.
Åbner du en dør med automatisk dørlukker, bliver en fjeder presset sammen, og bevægelsesenergi bliver til potentiel energi. Slipper du, sker det modsatte.

Prøver du at gennemtænke forskellig former for energiomsætning, vil du opdage, at alle energiformer til slut ender som varmeenergi. Overvej fx energiomsætningen i en bil, der kører og i én, der bremser.

Virkningsgrad (nyttevirkning)
Ved enhver energiomsætning "tabes" energi til omgivelserne, så man ikke får fuldt udbytte af omsætningen. 
Når den kemiske energi i bezin bliver til den bevægelsesenergi, der driver bilen frem, er størstedelen gået tabt.
På kulkraftværket laves kemisk energi i kullet om til el-energi, men kun ca. 40% bliver til el - resten bliver til varme som ofte blot lukkes ud i havet med kølevandet.
Den procentdel, der går til gode, kalder man virkningsgraden eller nyttevirkningen.
På kraftvarmeværker udnytter man spildvarmen til fjernvarme i byen ved værket. Dér kan man opnå en samlet virkningsgrad på 80-90%.
For at mindske råstofforbruget og CO2-udledningen bør vi forlange, at alle kraftværker ombygges til kraftvarmeværker.

Energibevarelse
Når vi mennesker snakker om energi, mener vi for det meste den energi, vi har glæde af: Strøm og varme i huset, brændstof til bilen osv. Men...

energi forsvinder aldrig 

- den kan flyttes eller omdannes til en anden form for energi, den bliver bare ikke væk. Den energi, du bruger til at opvarme et hus, flyttes efterhånden blot ud til gråspurvene. 

Energitransport
Energi kan flyttes eller flytte sig på mange måder, nogle sørger naturen selv for, andre er menneskeskabte.

Stråling
Solen sender sin energi (eller i det mindste en lille bitte smule af den) ned til os i form at stråler eller elektromagnetiske bølger (UV-stråling, synligt lys og IR-stråling)

Strømning
I luft og vand flyttes store energimængder ved strømning
I vandet kan det være havstrømme fremkaldt af temperaturforskelle (i mindre målestok foregår det samme i en vandkedel på en varm kogeplade) eller strømme i vandløb, som skyldes tyngdekraften (vandet løber nedad). 
Med vinden strømmer energi i luften. Vi trækker så lidt ud til at drive sejlbåde og vindmøller. Også strømninger i luft kan vi se i mindre målestok, fx over et tændt stearinlys.

Ledning
Igennem faste materialer ledes (flyttes) varmeenergi mere eller mindre godt: I en kobberstang ret fint og i en plasticstang ret dårligt. De dårlige varmeledere udnytter vi til at isolere (håndtag på grydelåg, husvægge osv.) og de gode i forbindelse med opvarmning (kedler, rør mv.).
Elektrisk energi kan bevæge sig gennem metaller, hvilket vi udnytter flittigt i alverdens elektriske maskiner, apparater, instrumenter og i kabler og luftledninger.

Mekanisk
Mennesker udnytter ofte mekaniske metoder at flytte energi på. Vi transporterer kemisk energi på lastbiler (træ, kul, olie...) eller pumper den gennem rør (olie, gas...). Varmt vand fra centrale varmeanlæg pumper vi også rundt i rør.
Bevægelsesenergi overfører vi fra motorer ved remtræk, kædetræk, kardanaksler, tandhjul, hydraulik (væsketryk) eller pneumatik (lufttryk).

Måling af energi
Der er flere enheder for måling af energi. To af dem kender de fleste fra hverdagen: kWh (kilo-watt-timer) og J (joule). 
Som regel bruger vi kWh, når vi skal måle elektrisk energi, og J i forbindelse med måling af varmeenergi, bl.a. også den varmeenergi, kroppen kan hente ud af madvarer.
En lidt ældre måleenhed, som stadig bruges en del, er kalorier (cal).
1 kWh = 3.600.000 J eller 3.600 kJ
1 kWh = 860.000 cal eller 860 kcal.

Tal på bevægelsesenergi
En genstand, der bevæger sig, er i besiddelse af denne mængde bevægelsesenergi: ½ × m × v2 , hvor m er massen (vægten) i kg, og v er hastigheden (Joule)

Ekin = ½ m v2

Eksempel: 
En bil, der vejer 1000 kg og som kører 20 m/s (= 72 km/t) har en bevægelsesenergi på ½ ×1000 × 202 = 200.000 J eller 200 kJ


Tal på potentiel energi
En genstand, der løftes op, tilføres denne energimængde: m × g × h, hvor m er massen, g er noget, der hedder tyngdeaccelerationen (den afhænger af, hvor på jorden man er, men der er ca. 9,82), og h er løftehøjden.

Eksempel:
Et vandfald er én meter højt, og der vælter 1000 kg (svarer til 1000 liter) vand ned pr. minut. Det giver 1000 × 9,82 × 1 = 9.820 J eller ca. 9,8 kJ pr. minut. Hvis man kunne omsætte al potentiel energi til el-energi ville det blive til 0,0027 kWh/minut. Det er ikke meget - det ville koste ca. 3 øre at købe hos el-værket. Der skal altså noget vandfald til, før det virkelig batter energimæssigt.

Tal på indre energi
Den gamle energienhed kalorier er dejlig nem at arbejde med, når man taler om at opvarme vand. Skal man opvarme 300 ml vand fra 20° til 100°, har man tilført vandet 300 × (100 - 20) kalorier = 24.000 cal eller 24 kcal. 
1 kalorie er nemlig den energi, der skal til for at opvarme 1 ml vand 1° .
Har man så brug for vide, hvor meget el-energi det svarer til, må man have gang i lommeregneren eller Ahorn-omregneren.
Den kemiske energi, der kan frigøres ved at brænde 1 kg (1 m3, hvis det er gasser) af forskellige brændstoffer, kalder vi stoffets brændværdi.

Eksempler på brændværdier i kcal/kg:

Træ  3.500
Kul  8.000
Fyringsolie/benzin  10.000
Naturgas  8.600
Flaskegas  22.300

 Du må altså ud at save 3 tons træ for at få brænde svarende til 1 ton olie!
Ved en hurtig omregning kan du også se, at det svarer til ca. 12.000 kWh. I et almindeligt hus bruger du nok omkring 2 tons olie til at fyre med pr. år, så det kunne se ud til at blive dyrt med el-opvarmning af samme hus. Men her må man tage i betragtning, at nyttevirkningen af el er nær 100%, mens den er omkring 70-80% for oliefyr.
Til gengæld har vi set, at nyttevirkningen på kraftværket ikke er stor, så alt i alt er det hverken råstofmæssigt eller med hensyn til forurening nogen god ide at brug el til opvarmning.

Tal på el-energi
Det er nemt at måle forbruget af el-energi i huset, for der sidder en el-måler i husets målerskab. Den viser kWh-forbruget direkte.
På næsten alle el-apparater sidder et mærke, der fortæller om apparatets effekt. Ganger du det tal med antallet af timer, det er i brug, har du apparatets energiforbrug.
En el-varmeblæser på 2000 W, der kører uafbrudt i 1 time bruger således 2 kWh.
En 60 W's pære bruger 0,06 kWh for hver time, den brænder. Den kan altså brænde ca. 16 timer for 1 kWh. Da prisen for el er omkring 1 kr./kWh, kan pæren altså brænde 16 timer for en krone.


Ideer til videre undersøgelser og projekter
Undersøg og beskriv det totale energiforbrug i jeres hus eller lejlighed.

En god vindmølle producerer 1.500.000 kWh el om året. hvor mange almindelige husstandes forbrug svarer det til (ikke el-varme).

En bil kører 15 km/l benzin. hvor meget energi (kWh) bruger den pr. km.