Kapittel 8: Alternativ energi

Temaer: Varmepumper, solfangere og solceller

Kjemisk energi: Vi brenner disse materialene for å få ut varmen. Dette er kjemisk energi, en energiform som er lagret i stoffet. kilder: mat, ved, olje, kull og gass. Når vi brenner ved blir varmeenergi utløst.

Bevegelsesenergi: Kilder: vind og vann. Skjer ved at de faller ned fra høyden, fra fjell dette kalles stillingsenergi.

Stillingsenergi: Løfter du en bok opp på et bord, overfører du energi til boka. Boka som ligger på bordet, har stillingsenergi. Hvis du skyver boka utfor bordkanten og lar den falle, går stillingsenergien gradvis over til bevegelsesenergi. Bevegelsesenergien er knyttet til at boka beveger seg. 

Elektriskenergi: Vi lader telefonen ved hjelp av elektriskenergi. 

Kjerneenergi: kjerneenergi er energi som frigjøres ved omdanning av atomkjerner. Kilder: uran og thorium. 

Strålingsenergi: Det er elektromagnetisk stråling som kommer fra sola. Kilde: sola.

Sola er den viktigste energi kilden, alle energikilder stammer opprinnelig fra sola. Olje, kull og gass er biologisk materiale som er brutt ned over millioner av år. Det oppstår på grunn av energien fra sola gjennom en prosess som heter fotosyntese. De grønne plantene dannes i fotosyntesen det blir lagret som cellulose, sukker og stivelse. 

De tyngre grunnstoffene våre kommer fra av at en stjerne har levd et helt liv, eksplodert og en liten bit av det ble en del av jorda. Sola er for liten til å noen gang kunne gi oss en atomkjerne. 

Energioverføring: overgangen mellom de ulike energiformene/at man går fra en energiform til en annen: f.eks. fra kjemisk energi til varmeenergi. Energi overføring kan skje ved varme eller arbeid. 

Temperatur

Temperatur er et mål på hvor mye atomene beveger seg. Temperatur er bevegelsesenergi til partikler og atomer. Hvis det er varmt ute beveger partiklene seg fortere. 

Indre bevegelses energi: Temperaturen til ene gjenstand sier noe om hvor mye atomene og molekylene beveger seg. (indre bevegelses energi fordi det er inni gjenstanden).

Den laveste temperaturen vi kan få er 0 keller, som er – 273,15 garder C. Vi kan aldri få noe som er kaldere enn det. Ved 0 K vil atomene stoppe å bevege seg, da er det null bevegelse i atomene. Temperatur skyldes indre bevegelse i atomene. Varme er energi som overføre fra et sted med høy temperatur til et sted med lav temperatur. 

Arbeid: Vi utfører et arbeid når krefter virker på en gjenstand slik at den beveger seg. Når vi gnir sammen hendene vil friksjonskrefter gjøre at molekyler beveger seg som fører til varme. 

Varmepumpe

Varme: energioverføring fra et sted til et annet. Varme er energi som går fra et sted til et annet på grunn av temperaturforskjell. Varme går alltid fra et sted med høyere temperatur til et sted med lavere temperatur. (termofysikkens andre lov)

Stoffenes tilstandsformer

Fast stoff: is

Væske: vann

Gass: damp 

Fast stoff til væske = smelting

Væske til gass = fordamping

Gass til væske = kondensering

Væske til fast stoff = frysning

For å gå fra fast stoff til væske eller væske til gass må vi tilføre energi. For å gå fra gass til væske eller væske til fast stoff må vi frigi energi. 

Kokepunktet til vann er 100 garder C, det stemmer bare hvis du er ved havoverflaten pga atmosfærisk trykk. 1atm. Molekyler som kolliderer med oss hele tiden skaper et trykk. 

Vi overfører indre energi fra omgivelsene til boligen. Alle stoff som er varmere enn -273 grader C inneholder indre energi som vi kan hente ut. 

Vi kan hente varme fra:

-          Jordoverflaten

-          Vann

-          Nede i berggrunnen (120-200meter)

I Norge henter vi varme fra luft. Tar vi for mye varme fra berggrunnen får vi permafrost. Tar vi for mye varme vil omgivelsene bli kaldere.

Hvordan det skjer:

1)      Fordamper: her er det et løsemiddel som koker ved lave temperaturer. La oss si at temperaturturen i kjølemiddelet er -5 garder c. Fordamperen ligger nede i bakken der temperaturen for eksempel er 7 grader C. Da begynner kjølemiddelet å koke. Koking krever energi og denne energien henter kjølemiddelet fra omgivelsene. Den tilførte energien gjør at kjølemiddelet skifter tilstandsform ved samme temperatur. Det blir gass med temperatur på -5grader c. 

2)      Kompressoren trykker gassen sammen. Da blir temperaturen og kokepunktet høyere (f.eks. 40 grader C) Kompressoren bruker elektrisk energi på å utføre dette arbeidet og på å pumpe gassen videre.

3)      Kondensator: Inne i huset er det en kondensator. Der er temperaturen til gassen fortsatt 40 garder C, og det er høyere enn omgivelsen innendørs. Dermed går det varme fra gassen til omgivelsene både som resultat av temperaturforskjellen og fordi gassen avgi energi når den kondenserer til væske. Her avgis mest varme. 

4)      Ventil: Væsken pumpes videre til ventil, der trykket blir redusert og temperaturen faller til -5 grader C.

Solfanger

Hensikten med en solfanger er å bruke energien i solstrålene til å varme vann. Det varme vannet fra solfangeren kan brukes som varmt vann i dusj, eller som gulvvarme. Det oppvarmede vannet kan også lagres i en varmtvannstank. 

Boks, plastikk rør man bruker for å få kaldt vann inn og varmt vann ut, svart matreale bak rørene absorberer mer sol, glassplaten holder varmestårlingene fra sola inni boksen og skaper en drivhuseffekt

Solfangeren er bygget opp av fire viktige deler:

-Isolering – viktig for å unngå varmetap i solfangeren

-Svart metallplate – I bunnen av en solfanger ligger det en svart metallplate. Denne er viktig fordi den svarte platen absorberer det meste av energien i solstrålene

-Kobberrør – inne i kobberrørene sirkulerer vannet. Kaldt vann pumpes inn i solfangere, og varmt vann kommer ut av solfangeren. Vi bruker kobber fordi det leder varme.

-Glassplate – På toppen av solfangeren ligger en glassplate. Glassplaten slipper kortbølget sollys gjennom, men stopper langbølget varmestråling på vei ut. Det skaper en drivhuseffekt i solfangeren på grunn av glassplaten. 

Solceller

Sola har mye energi, en måte å ta opp energien fra sola er å bruke solceller, her blir solenergi omgjort til elektrisk energi. Solcelle paneler er brukelige i lang tid før de blir ødelagt, dette er fordi den har få bevegelige deler inne i seg. 

Elektrisk strøm er elektroner som flytter seg og beveger seg gjennom feks ladere.

Solceller er bygget opp av grunnstoffet silisium. Hvert silisiumatom har fire elektroner, hvert silisiumatom er bundet til fire andre silisiumatomer ved elektronisk bindinger. Hvert silisiumatom får da 8 elektroner i ytterstes kall ved hjelp av 4 naboatomer. Det er ingen elektroner som er frie, ikke i bindinger, derfor er ikke silisium god leder av strøm. Derfor bruker man silisium og germanium, 

En solcelle består av to slike silisiumplater, men de to har fått endret egenskapene sine ved hjelp av det som kalles doping. 

N-doping

I den ene platen ønsker man å ha noen frie elektroner. Derfor blir et silisiumatom byttet med et elektron med 5 atomer i ytterste skall. 4 av de elektronene inngår i bindingen og det femte elektronet er nå fritt og kan bevege seg. Dette kalles N-doping, fordi du får et overskudd av frie elektroner, elektronet er negativt ladd og kalles derfor N doping. 

P-doping

I den andre platen ønsker man å ha ledige elektronplasser. Da bruker mann et elektron med 3 atomer i ytterste skall, da kan vi bruke bor atomet. Alle tre elektroner vil inngå i elektronparbinding. Da får man en ledig elektronplass. Det kalles p-doping. Ledige lektronplasser kalles hull. 

Den N-dopet silisiumplaten settes over den P-dopet silisiumplaten, og limes sammen. Det som skjer da er at elektronene i den øverste platen strømmer ned og fyller hullene. Problemet som oppstår da er at den nederste blir negativt ladd og den øverste platen blir positivt ladd. Så hvis et elektron prøver å komme seg ned vil den dyttes bort, bare de første elektronene klarer å komme ned. Barrieren er essensiell for at en solcelle skal fungere. 

Hvis en solstråle kommer går den gjennom N-platen og treffer P-platen. Da løsrives et elektron som da blir dratt opp til N-siden. Da får du et ledig elektronlass nede og et fritt elektron oppe. Elektronet går da gjennom ledninger og en lampe for å gå tilbake til P-siden. Sånn skapes elektrisitet. Energi kan lagres i batteri. 

Ved å tilføre varme til magnesium startes forbrenning. Forbrenning er alle reaksjoner med oksygen. 

Forbrenningsreaksjoner skjer når et brennbart materiale reagerer med oksygen. Når det skjer frigis det energi i form av varme og lys. 

Redoksreaksjoner

En kjemisk reaksjon oppstår når to atomer kommer nærme hverandre. Når det ene stoffet gir fra seg elektroner til et annet stoff blir det det vi kaller en redoksreaksjon. Dette er fordi de ønsker å oppfylle 8 regelen. 

Oksidasjon: Når et stoff gir fra seg et elektron. Oksidert.

Reduksjon: Når er stoff tar i mot et elektron. Redusert.

Magnesium gir fra seg 2 elektroner fra det ytterste skallet til oksygen. Oksygen oppfyller da 8 regelen og magnesium mister det ytterste skallet sitt, det andre kallet kommer  da frem og har 8 elektroner. Begge atomer oppfyller 8 regelen. Elektronene blir da ionisert og magnesium får et 2+. Oksygen får da 2-. Da dannes en ionebinding og får MgO. 

Hvis det er reaksjon mellom to metaller er det vanskelig å vite hvilket stoff gir fra seg og hvilket tar opp. Da bruker vi spenningsrekken. De som ligger lengst til venstre vil oksideres, og de lengst til høyre reduseres. 

Galvaniske elementer

Prinsippet bak et batteri. I et batteri skjer det redoksreaksjoner, de gjør at vi får elektroner i bevegelse. 

Elektrolyse

Skille atomene i molekylet fra hverandre. 

Batterier

Spenningsrekka, hvordan kaste batterier. 

Brenselceller

Kan brukes i biler med hydrogen som drivstoff. Kjemisk energi i biogassen blir omdannet til elektrisitet, som brukes til å drive bilen. Det er miljøvennlig, slipper ut vann. Brenselcellen gir elektrisk energi til motoren. 

Hvordan omdanne energi i hydrogengass til elektrisitet