energi

Verificeret
Artiklens indhold er godkendt af redaktionen.

Energi. Carnots kredsproces idealiserer processerne i en dampmaskine ved hjælp af en cylinder med stempel, som her tænkes at indeslutte en ideal gas. Stemplet belastes med en justerbar vægt, således at der altid er ligevægt med gassens tryk. Kredsprocessen har fire trin, som tænkes udført meget langsomt:

energi, fundamentalt fysisk begreb; undertiden defineret som evnen til at udføre arbejde, men denne definition er ikke ganske dækkende. I virkeligheden er det næppe muligt at knytte nogen klar mening til det generelle begreb energi, hvilket på en måde har bidraget til, at det har kunnet udvikles ikke blot inden for fysikkens discipliner, men også inden for nabovidenskaber som kemi og biologi. I løbet af 1900-t. er det desuden blevet tydeligt, at det abstrakte begreb energi er en afgørende forudsætning for samfundenes funktion.

Ordet energi kommer af fransk énergie, af græsk energeia.

Energiformer

Energi optræder i en række forskellige former, der alle kan måles i samme enhed; i SI-systemet joule. De vigtigste energiformer er: 1) Mekanisk energi og arbejde. Den rent mekaniske fysik har to fundamentale energiformer: Kinetisk energi ved bevægelse af masse og potentiel energi ved beliggenhed i et kraftfelt. Desuden mekanisk arbejde, der kan betegnes som energi i transit, fx når potentiel energi omsættes til kinetisk. 2) Indre energi og varme. En stofmængde ved en vis temperatur har en indre energi knyttet til bevægelser og forskydninger af stoffets molekyler. Betegnelsen varme bør reserveres til energi, der tilføres stoffet pga. temperaturforskelle. Varme er da, som arbejde, energi i transit. 3) Elektrostatisk energi. En ladning i et elektrisk felt har en potentiel elektrostatisk energi; fx en ladning mellem to kondensatorplader eller en elektron i et atom. 4) Kernebindingsenergi. En nukleon i de stærke kernekræfters felt i en atomkerne har en potentiel kernebindingsenergi. 5) Elektromagnetisk energi. Et elektromagnetisk felt besidder elektromagnetisk energi, der i lys optræder som fotoner (energikvanter).

De nævnte energiformer er fundamentale, idet de er forbundet med grundlæggende fysiske bevarelseslove og vekselvirkninger. Dette gør det muligt for hver energiform at angive ligninger, som forbinder den med andre fysiske størrelser som masse, hastighed, beliggenhed, temperatur, elektrisk ladning og elektrisk feltstyrke.

Energi. Fundamentale energiformer med formler, der forbinder dem med andre fysiske størrelser som masse, hastighed, elektrisk spænding, absolut temperatur, lysfrekvens, elektromagnetiske felter og lyshastighed.

Energiformer som kemisk energi, kerneenergi og strålingsenergi kan betragtes som manifestationer af én eller flere af de allerede nævnte. En sådan beskrivelse af energiformerne er dog ikke helt entydig, hvilket i særdeleshed gælder de energityper, der mødes i dagligdagen som fossile brændsler, elektricitet og vindenergi.

Energiens bevarelse

Når de meget forskellige energiformer opfattes som udtryk for en fælles egenskab, bygger det på to almene forudsætninger: For det første, at energiformerne, i hvert fald delvis, kan omformes til hinanden. For det andet, at energi altid er bevaret. Loven om energiens bevarelse gør det muligt at kende energien, når vi møder den. De enkleste eksempler kommer fra den mekaniske fysik. En stålkugle med masse m, som ligger på et bord med højde h, har den potentielle energi mgh i forhold til gulvet, idet g er tyngdeaccelerationen. Trilles kuglen forsigtigt ud over bordkanten, udfører tyngdekraften et arbejde mgh på kuglen, som når gulvet med en vis fart v og den dertil svarende kinetiske energi mv2/2. Det er en simpel følge af Newtons love, at i det betragtede tilfælde bliver mv2/2 = mgh, altså at den kinetiske energi, som kuglen opnår ved faldet, er lig den potentielle energi, den oprindelig havde. Situationen før faldet, hvor kuglen ligger stille, er selvfølgelig helt forskellig fra situationen, før den rammer gulvet. Men fra et energisynspunkt er intet ændret i den forstand, at kuglens totale energi er den samme.

Temperatur

I et stof, som har en temperatur højere end det absolutte nulpunkt, udfører atomer og molekyler uordnede bevægelser; jo højere temperatur, des livligere er bevægelserne. Der er kinetisk og undertiden også potentiel energi knyttet til denne bevægelse af et meget stort antal partikler.

Teorien for de termiske fænomener, dvs. fænomener, som har med temperatur at gøre, bliver da en del af mekanikken. Det store partikelantal har dog ført til udvikling af en særlig statistisk mekanik. Et vigtigt resultat derfra er, at temperatur og energi knyttes sammen. En ideal enatomig gas ved den absolutte temperatur T, som består af N atomer, har således efter teorien en indre energi U = 3/2N∙k∙T, idet k er Boltzmanns konstant.

Termodynamik

De termiske fænomener kan imidlertid beskrives helt frigjort fra det mikroskopiske billede. Dette er termodynamikkens emne. Termodynamik er en meget generel teori, som behandler systemer. Et system kan være næsten alt, som kan afgrænses fra omgivelserne, og som indeholder mange partikler. Luften i en cykelpumpe, et elektrisk batteri, en stjerne eller en mus er eksempler på systemer, hvorom termodynamikken fortæller noget interessant. Se også termodynamik.

1. hovedsætning

Energi. Et fysisk system kan tilføres energi både som varme og som arbejde. Derved forøges, hvad man kalder systemets indre energi. Varmeteoriens første hovedsætning siger, at ændringen i systemets indre energi er summen af tilført varme og tilført arbejde. Er systemet en gas, vil den indre energi i det væsentlige være den termiske kinetiske energi af molekylerne. For andre systemer kan den indre energi være (delvis) potentiel, være af kemisk natur, være energi fra elektromagnetisk stråling osv.

Loven om energiens bevarelse kaldes også termodynamikkens 1. hovedsætning. Det er afgørende for dennes formulering, at varme betragtes som en energiform. Et fysisk system kan da tilføres energi både som varme og som arbejde; begge forøger systemets indre energi U. Den 1. hovedsætning udtaler sig om ændringen ΔU i denne, når systemet tilføres en varmemængde Q og et arbejde W, ΔU = Q + W.

Alle tre størrelser måles i energienheder og regnes med fortegn sådan, at tilførte kvantiteter er positive, afgivne negative. Den specielle brugbarhed af den indre energi skyldes, at den alene afhænger af systemets tilstand. Tilstanden af en given gasmængde kan fx angives ved gassens tryk p og volumen V og afbildes som et punkt i et p,V-diagram. Mellem en bestemt begyndelsestilstand og en bestemt sluttilstand går mange forskellige tryk-volumenveje, hver med sit Q og sit W. Men uanset vejen giver summen Q + W altid samme ændring ΔU i den indre energi; den indre energi er en tilstandsfunktion.

2. hovedsætning

Temperaturen optræder ikke direkte i den 1. hovedsætning. Denne kan betragtes som en bogholderiregel for energiomdannelser, når de finder sted, men fortæller ikke, om eller i hvilken udstrækning de faktisk finder sted. Dertil behøver man termodynamikkens 2. hovedsætning.

I praksis omsættes varme ofte til nyttigt arbejde. Dette sker ved varmekraftmaskiner, fx dampmaskiner, forbrændingsmotorer eller dampturbiner. En varmekraftmaskine omsætter varme ved høj temperatur til mekanisk arbejde, men aldrig fuldstændigt. Det er netop 2. hovedsætnings indhold, at arbejdet beror på, at der samtidig afgives varme ved lav temperatur, varme, som ikke kan omsættes til arbejde.

Varme kan omsættes til arbejde med en lukket cylinder forsynet med et stempel, som kan forskydes uden gnidning, og som indeslutter en vis mængde af et arbejdsmedium, fx en gas. Tilføres cylinderen varme ved kontakt med et varmereservoir med høj temperatur, ekspanderer gassen, presser stemplet udad og udfører derved et arbejde, som fx kan hæve et lod. Dette kan dog ikke fortsætte i det uendelige, da gastrykket falder og til sidst når atmosfæretryk, hvorved processen stopper. En brugbar maskine forudsætter en kredsproces, som periodisk bringer alt tilbage til udgangstilstanden.

Analysen af forskellige kredsprocesser har været afgørende for forståelsen af de begrænsninger, naturen sætter for omdannelsen af varme til arbejde, og har ført til opdagelsen af endnu en termodynamisk tilstandsfunktion, entropi. Entropien er ejendommelig ved, at den for et lukket system aldrig kan aftage. Alle naturlige processer, dvs. processer, som forløber uden ydre indgriben, går derfor altid fra en tilstand med lavere entropi til en med højere.

Energi og elektromagnetisme

Energibegrebet har bred anvendelse på alle elektriske og magnetiske fænomener. Det fundamentale begreb, elektrisk potentiale (spænding), udtrykker et arbejde pr. ladningsenhed. En elektrisk strøm I ved en spænding på V har en effekt P = I∙V, der kan afsættes som varme, lys, mekanisk arbejde eller på en af de utallige andre måder, som tilsammen skaber den elektriske teknologi. Tilsvarende har en kapacitans C opladet til spændingen V en oplagret energi U = CV2/2, og en induktans L, som bærer strømmen I, en oplagret energi U = LI2/2. Lys, radiosignaler og mange andre typer stråling er hurtige tidsvarierende forstyrrelser i det elektromagnetiske felt i rummet. Forstyrrelserne udbreder sig som elektromagnetiske bølger i det tomme rum eller i transparente materialer. Det elektromagnetiske felt i en bølge er et vektorfelt, som kan beskrives ved sin elektriske feltstyrke E og sin magnetiske feltstyrke H. Den effekt, som strømmer gennem en enhedsflade vinkelret på bølgens bevægelsesretning, er givet ved bølgens Poyntingvektor S = E × H. Se også elektromagnetisme.

Energi og masse

En af de overraskende konsekvenser af relativitetsteorien er, at masse og energi er ækvivalente. Masse og energi er forskellige fysiske størrelser, men masse har energi, og energi har masse, forbundne som de er ved Einsteins berømte ligning E = mc2. Opvarmes et legeme, så det øger sin indre energi, da øges også dets masse, men for den slags ændringer, vi møder under daglige forhold, er effekten overordentlig lille. Drejer det sig derimod om atomare partikler, er den betydelig. Mest dramatisk måske ved processen annihilation, hvor hele massen af en partikel og dens antipartikel omsættes til strålingsenergi. Også for forskellige atomkerneprocesser er effekten kendelig. Massen af de fragmenter, som dannes ved fission af en urankerne, er således ca. 0,1% mindre end den oprindelige kernes; en differens, som svarer til den ved processen frigjorte energi.

Energi i kvantefysikken

Kvantefysikken beskriver stof og stråling på et mikroniveau, hvor stoffet ikke længere er en homogen substans, men viser struktur. Stof består af molekyler sammensat af atomer, som består af en kerne og en sværm elektroner. Kernen er igen sammensat af protoner og neutroner, som ved den højeste opløsningsevne selv viser en struktur af kvarker. Hvert trin af denne struktur svarer til sit karakteristiske område af energier. Elektronvolt (eV) for atomer og molekyler; MeV for atomkerner og GeV for elementarpartikler.

På mikroniveauet er energi kvantiseret. Det er et afgørende træk ved kvantefysikken, at et bundet system som et atom eller en atomkerne kun kan eksistere stabilt i en række tilstande med ganske bestemte energier. Denne energikvantisering er en naturlig konsekvens af kvantemekanikken, hvor den grundlæggende tidsuafhængige Schrödingerligning fastlægger de stationære tilstande som sådanne, hvor summen af kinetisk og potentiel energi er konstant. Det er loven om energiens bevarelse indskrevet i kvantemekanikkens fundament.

Energi og samfund

Energi er formodentlig det klareste eksempel på, at et vanskeligt videnskabeligt begreb har fået betydning og mening i hverdagen. Vi får dagligt anskuelsesundervisning i, hvad energien betyder for produktion, bekvemmelighed og økonomi. Det har medført, at de fleste taler om energi på en stort set korrekt måde. Vi opfatter energi som en mængde; noget, som kan skaffes i større eller mindre portioner, og som der må betales for. De mange forskellige energiformer forvirrer ikke, for der er omkring os utallige eksempler på, at én slags energi kan omsættes til en anden.

Der er dog sider af energien, som videnskabeligt har afgørende betydning, men spiller en underordnet rolle i dagligdagen. Energiens bevarelse er en af dem. Vi taler om energiforbrug og om resursernes mulige udtømning, hvilket synes at stride mod loven om energiens bevarelse. Men sagen er, at de processer, hvorved energien omsættes, alle medfører en vækst i entropien. Brændes olie i et fyr eller en motor, har forbrændingsprodukterne, kuldioxid og vanddamp, højere entropi end den olie og ilt fra luften, som var udgangspunktet. Energien bruges ikke op; den havner i omgivelserne som termisk energi ved lav temperatur, en tilstand med høj entropi og helt uanvendelig. Det, som forbruges, er forråd af laventropisk energi (højkvalitetsenergi): Energi fra solceller og solvarmepaneler, som er øjeblikkelig omsætning af solenergi til brugbar energi; vandkraft, som er solenergi fra i fjor; biomasse i form af fx træ, som er solenergi fra få år tilbage; olie, kul og gas, som er solenergi oplagret i planter årmillioner tilbage; og kerneenergi, som er energi fra processer i Universet, der forløb for adskillige milliarder år siden.

 

 

 

 

 

Find bøger

   
   Find Lydbøger
hos Storytel
   Find bøger
bogpriser.dk
   Studiebøger
pensum.dk
   Læs e-bøger
hos Ready

 

© Dette billede må du ...

Energi. Et fysisk system kan tilføres energi både som varme og som arbejde. Derved forøges, hvad man kalder systemets indre energi. Varmeteoriens første hovedsætning siger, at ændringen i systemets indre energi er summen af tilført varme og tilført arbejde. Er systemet en gas, vil den indre energi i det væsentlige være den termiske kinetiske energi af molekylerne. For andre systemer kan den indre energi være (delvis) potentiel, være af kemisk natur, være energi fra elektromagnetisk stråling osv.

© Dette billede må du ...

Energi. Fundamentale energiformer med formler, der forbinder dem med andre fysiske størrelser som masse, hastighed, elektrisk spænding, absolut temperatur, lysfrekvens, elektromagnetiske felter og lyshastighed.

© Dette billede må du ...

Energi. Carnots kredsproces idealiserer processerne i en dampmaskine ved hjælp af en cylinder med stempel, som her tænkes at indeslutte en ideal gas. Stemplet belastes med en justerbar vægt, således at der altid er ligevægt med gassens tryk. Kredsprocessen har fire trin, som tænkes udført meget langsomt:

Viser 3 af 3 billeder

Filer

FilTilføjet af 
[+314991.801.svg (18.66 kB)

Energi. Fundamentale energiformer med formler, der forbinder dem med andre fysiske størrelser som masse, hastighed, elektrisk spænding, absolut temperatur, lysfrekvens, elektromagnetiske felter og lyshastighed.

Admin

04/02/2009

[+314992.801.svg (57.51 kB)

Energi. Et fysisk system kan tilføres energi både som varme og som arbejde. Derved forøges, hvad man kalder systemets indre energi. Varmeteoriens første hovedsætning siger, at ændringen i systemets indre energi er summen af tilført varme og tilført arbejde. Er systemet en gas, vil den indre energi i det væsentlige være den termiske kinetiske energi af molekylerne. For andre systemer kan den indre energi være (delvis) potentiel, være af kemisk natur, være energi fra elektromagnetisk stråling osv.

Admin

04/02/2009

[+314993.801.svg (63.9 kB)

Energi. Carnots kredsproces idealiserer processerne i en dampmaskine ved hjælp af en cylinder med stempel, som her tænkes at indeslutte en ideal gas. Stemplet belastes med en justerbar vægt, således at der altid er ligevægt med gassens tryk. Kredsprocessen har fire trin, som tænkes udført meget langsomt:

Admin

04/02/2009

Nyhedsbrev

Om artiklen

Seneste forfatter
Redaktionen
06/03/2014
Ekspert
Superior
Oprindelig forfatter
Elbek
30/01/2009

© Gyldendal 2009-2014 - Powered by MindTouch Deki