Teknik 1 · Energi och ellära · Kapitel 1
Energi och energiformer
Allt som händer omkring oss kräver energi — att en lampa lyser, att du går uppför en trappa eller att vattnet i ett vattenkraftverk får en generator att snurra. I det här kapitlet reder vi ut vad energi egentligen är, vilka former den finns i och vad som händer när den omvandlas.
Vad är energi?
Ordet energi används i vardagen på många sätt: man kan ha mycket energi, en dryck kan vara en energidryck och elräkningen handlar om energiförbrukning. I fysiken har ordet en bestämd betydelse. Nationalencyklopedin beskriver energi som ”förmågan hos ett fysiskt system att utföra arbete”.
Men vad är då arbete?
Diskutera
Prata med din bänkgranne: vad betyder energi för er? Var i vardagen stöter ni på energi, och i vilka former?
Arbete
Ett fysikaliskt arbete utförs när en kraft får något att flytta sig. Ju större kraft och ju längre sträcka, desto större arbete. Arbete är kraften gånger sträckan (på engelska work, därav W):
W = arbete (J), F = kraft (N), s = sträcka i kraftens riktning (m)
Arbete och energi mäts i samma enhet, joule (J). Ett joule är det arbete som krävs för att flytta något en meter med kraften en newton: 1 J = 1 Nm.
Exempel · Dra en låda
Du drar en låda 5 m längs golvet med kraften 40 N. Hur stort arbete utför du?
Visa lösningDölj lösning
Arbetet är kraften gånger sträckan
Svar: 200 J. Energin du lägger ner blir mest värme, genom friktionen mot golvet.
Energiformer
Energi finns i många former. De vanligaste är:
- Lägesenergi (potentiell energi)
- Energin ett föremål har för att det befinner sig högt upp, t.ex. vatten i en damm eller en gunga i sitt översta läge.
- Rörelseenergi (kinetisk energi)
- Energin ett föremål har för att det rör sig.
- Värmeenergi
- Rörelseenergin hos atomer och molekyler. När ett föremål blir varmare rör sig atomerna snabbare.
- Kemisk energi
- Finns lagrad i alla ämnen, t.ex. i mat, bensin och batterier. Den frigörs vid kemiska reaktioner, som förbränning.
- Strålningsenergi
- Solen avger energi till jorden som strålning. Utan den hade vi inte kunnat leva här.
- Elektrisk energi
- Energin som elektronerna för med sig när en ström går i en ledning.
Tänk på en gunga: i det översta läget står den stilla ett ögonblick och har bara lägesenergi. På väg ner omvandlas lägesenergin till rörelseenergi, som är störst längst ner. På väg upp igen blir rörelseenergin lägesenergi.
Energiprincipen
En av fysikens viktigaste lagar är termodynamikens första huvudsats, som också kallas energiprincipen:
Energiprincipen
Energi kan varken skapas eller förintas, utan bara omvandlas från en form till en annan.
Varje gång något händer omvandlas alltså energi: energiform → energiomvandling → energiform. När vi säger att vi ”förbrukar” energi menar vi egentligen att vi omvandlar den till en form vi inte kan använda längre, oftast värme.
Exempel på energiomvandlingar
- Från
- kemisk energi (mat)
- Till
- lägesenergi och värme
- Från
- lägesenergi
- Till
- rörelseenergi
- Från
- lägesenergi i vattnet
- Till
- rörelseenergi → elektrisk energi
- Från
- rörelseenergi i vinden
- Till
- elektrisk energi
- Från
- strålningsenergi
- Till
- elektrisk energi
- Från
- elektrisk energi
- Till
- strålning (ljus) och mycket värme
- Från
- kemisk energi (bränsle)
- Till
- rörelseenergi och värme
I ett vattenkraftverk sker omvandlingen i flera steg:
- Vattnet i dammen har lägesenergi.
- Vattnet rinner ner genom en tub och får rörelseenergi.
- Vattnet driver runt en turbin.
- Turbinen snurrar en generator, där magneter och spolar omvandlar rörelseenergin till elektrisk energi.
- Elen leds ut på elnätet.
Ett vindkraftverk fungerar på liknande sätt: vinden snurrar rotorbladen och generatorn i maskinhuset gör el. Elen omvandlas i en transformatorstation innan den leds ut på elnätet till dig.
Fråga · Cykeltur
Du cyklar uppför en backe och rullar sedan ner på andra sidan utan att trampa. Vilka energiomvandlingar sker?
Visa svarDölj svar
Uppför: kemisk energi från maten i dina muskler blir lägesenergi (du kommer högre upp), rörelseenergi och värme — du blir varm. Nerför: lägesenergin blir rörelseenergi, och en del blir värme genom luftmotstånd och friktion i hjul och bromsar.
Energins kvalitet
Om energi aldrig försvinner, varför kan den då ta slut? Svaret är termodynamikens andra huvudsats, entropiprincipen: energins kvalitet minskar varje gång en energiomvandling sker.
Entropi betyder oordning. Energi som är samlad och ordnad — som lägesenergin i en damm eller elektrisk energi — är lätt att använda. Vid varje omvandling sprids en del av energin ut som värme i omgivningen, och den oordnade värmen går nästan inte att använda igen. Oordningen, entropin, ökar.
- Exergi
- Den del av energin som går att omvandla till nyttigt arbete — energins kvalitet. El och lägesenergi har hög exergi, ljummet vatten har låg exergi.
- Energiförlust
- Den del av energin som vid en omvandling blir något vi inte vill ha, oftast värme. Energin finns kvar, men exergin har minskat.
Ett exempel från naturen är näringspyramiden. Om en äng har 1 000 kg gräs räcker det bara till ungefär 100 kg kaniner, och kaninerna räcker till ungefär 10 kg rävar. I varje steg går ungefär 90 % av energin åt till djurens rörelse och kroppsvärme — bara en tiondel blir ny biomassa i nästa led.
Kom ihåg
- Energi kan inte skapas eller förstöras — bara omvandlas (första huvudsatsen).
- Vid varje omvandling minskar energins kvalitet, exergin (andra huvudsatsen).
- Det vi kallar energiförbrukning är att vi omvandlar högvärdig energi till lågvärdig värme.
Snabbkoll
Har du förstått?
1.Hur beskriver Nationalencyklopedin energi?
2.Du skjuter en låda 10 m med kraften 50 N. Hur stort arbete utför du?
3.Vilken energiform har vattnet i en damm högt upp?
4.Vad säger energiprincipen?
5.Vad händer med energins kvalitet (exergi) vid en energiomvandling?