9 A Energi

 

Energi = det som får noe til å skje

Joule (J) = enheten for energi

 

Energiformer – egentlig bare to...

Forskjellige energiformer:

- Kjemisk energi

- Kjerneenergi

- solenergi

- svingeenergi

- Elektrisk energi

- Strålingsenergi

- Lydenergi

- Varmeenergi

Navnet på energiformene forteller oss i hvilken sammenheng vi finner energien, og ofte beskriver navnet energiformen.

 

Bevegelsesenergi og stillingsenergi

To hovedformer for energi:

1. Kinetisk energi (bevegelsesenergi)

2. Potensiell energi (stillingsenergi)

 

Energikilder og energimottaker – eks. Ovn (energikilde) --> stuen (energimottaker)

 

Energikjeder følger energien

Energikjede: solen --> bjørketre --> vedovn --> stuen --> omgivelser

 

Energikjeder i en bolig: Myndigheter anbefaler å bruke ulike typer energikilder til oppvarming av bolig slik at man til enhver tid kan bruke den energikilden som er best egnet.

 

Energioverføring – varme og arbeid

Energi kan overføres fra ett sted til et annet ved varme eller ved arbeid.

- varme er energioverføring som følge av temperaturforskjell – eks. Holde hendene over et bål

- Arbeid er energioverføring som følge av at krefter virker på en gjenstand som beveger seg – Eks. gni håndflatene mot hverandre

 

Effekt – hvor raskt energien blir overført

Effekt (P) er energioverføring (E) per tid (t)

Effekt = energi / tid, P = E/t

Effekt oppgis i enheten watt, med symbolet W. 1 watt tilsvarer 1 joule per sekund, 1 W = 1 J/s.

 

9 B Varme, temperatur og indre energi – hører sammen, men er ikke det samme

 

Indre energi – partikler har bevegelsesenergi og stillingsenergi

Jo mindre atomene beveger selv, jo lavere er temperaturen. Indre energi blir ofte kalt varmeenergi eller termisk energi. Temperatur et et mål på den indre verdien i en gjenstand. Den indre energien er summen av bevegelsesenergien og stillingsenergien til partiklene som gjenstanden erbygget opp av.

 

Temperaturskalaer – celsius og kelvin.

Temperaturen er et mål på den indre energien til et stoff.Vi kan oppgi temperaturen både med celsius- og kelvinskalaen.

- Celsius: Nullpunktet på denne skalaen er satt ved frysepunktet (0 grader celsius), og hundrepunktet er satt ved den temperaturen vann koker.

- Kelvin: starter på det absolutte nullpunkt. Dette punktet er ved -273,15 kelvin og forekommer når atomene ligger helt i ro. Skalaen har bare plussgrader. Enheten heter Kelvin = K.

 

Tilstandsform – fast form, væske eller gass

 

Temperatur-varmekurve: smelte – og kokepunkt

Mens vannet koker, er temperaturen hele tiden lik vannets kokepunkt. Førtst når alt vann i væskeform er borte, vil temperaturen i vanndampen kunne øke.

 

Tilført varme (MJ)

 

Varmekapasitet – evnen til å lagre indre energi

Det tar lengre tid å varme opp vann, enn jord. Derfor er det kaldere på kysten, men jord mister varmen raskere enn vann.

Spesifikk varmekapasitet: Den spesifikke varmekapasiteten (c) forteller hvor mye varme vi må tilføre 1 kg av et stoff for å få samme temperaturstigningen på 1 grad celsius.

 

Smeltevarme og fordampningsvarme

Ved smelting av vann ved hjelp av varme holder temperaturen seg på null helt til alt vannet er smeltet, selv om vi tilfører mer varme. Dette er fordi energien går til å bryte bindinger mellom vannmolekylene når stoffet går fra fast til flytende form. Energien blir brukt til dette og ikke til å øke bevegelsesenergien til molekylene.

 

Tilstandsoverganger og varme

I en tilstandsovergang blir det overført energi uten at temperaturen endrer seg.

- Spesifikk smeltevarme angir hvor mye varme som må tilføres 1 kg av et stoff for at det skal kunne smelte.

- Spesifikk fordampingsvarme angir hvor mye varme som må tilføres 1 kg av et stoff for at det skal fordampe.

 

Smelting og størkning: Smelting krever energi, mens størkning avgir energi. Den smeltevarmen som et stoff tar opp når det smelter avgir stoffet når det størkner.

 

Fordamping, koking og kondensering

For at vann skal kondensere til damp må ikke temperaturen være 100 grader celsius. F.eks. Klær som tørker, vannpytt som forsvinner om sommeren. Vannmolekylene på overflaten av vannpytten får så stor energi at de kan rive seg fra de andre vannmolekylene. Litt etter litt fordamper vannet til vanndamp. I motsetning til koking foregår fordampin ved alle temperaturer, ikke bare ved vannets kokepunkt. Vann fordamper fortere desto høyere temperaturen er.

 

Fordamping og kondensering er to forskjellige prosesser. Fordamping krever energi, mens kondensering avgir energi. Den fordampningsvarmen et stoff tar opp når det fordamper, avgir stoffet igjen når det kondenserer.

 

9 C Energiloven

Energiloven - energi kan verken oppstå eller forsvinne, bare overføres fra en energiform til en annen.

Energikvalitet – bruk gjør energien mindre tilgjengelig. Det er forskjell på energiformene. Noen energiformer er enkel å overføre, mens andre som lyd er mer vanskelig.

Høyverdige og lavverdige energiformer

En energiform er høyverdig dersom den enkelt kan overføres til nyttige energiformer

En energiform er lavverdig dersom den vanskelig kan overføres til nyttige energiformer.

Bevegelses energi, stillingsenergi, elektrisk energi og kjemisk energi er høyverdige energiformer. Kjerneenergi, lydenergi og indre energi er lavverdige energiformer.

 

Loven om energikvalitet

I en energioverføring synker den samlede energikvaliteten. Energien vi bruker forsvinner ikke, men blir mindre tilgjengelige for oss.

 

9 D Energibruk i dagliglivet – jaktn på fornybare kilder.

Solen – vår viktigste energikilde

Mer enn 99 % av energikjedene på jorden har utgangspukt i solen som energikilde. Der er fusjon av hydrogen til helium som er kilden til de enorme energimengdene solen frigjør.

 

Virkningsgrad – så mye hadde jeg, så mye ga jeg bort, så mye fikk jeg igjen

Den høyverdige kjemiske energien i f.eks. Gass overføres til lavverdig energi i damp, som driver turbiner og eletkriske generatorer. Der overføres energien igjen til høyverdig elektrisk energi. Den indre energien i damp er lavverdig, og bare noe av den kan overføres til høyverdig elektrisk energi.

Forholdet mellom den energien vi får ut som nyttig energi, og den energien som finens i utgangspunktet kalles virkningsgraden. Denne blir ofte uttrykt i prosent:

Virkningsgrad: nyttig energi/tilført energi * 100 %

Virkningsgrad – virkningsgraden for en energioverføring er forholdet mellom den nyttige energien vi henter ut og den energien vi tilfører.

 

Energiøkonomisering – ENØK

ENØK handler om å på mest mulig effektiv og lønnsom måte utnytte energien. Dette betyr å velge en energikilde som er tilpasset energibruken, samtidig som vi reduserer energibruken der det er mulig.

 

9E Solfangere – fra strålingsenergi til indre energi

 

I Norge er det for lite sollys i halvåret til at solfangere kan være eneste energikilden. Derfor blir solfangere brukt i tillegg til andre energikilder.

 

Vi fanger fotonenergien!

Solfangerne er konstruert til å fange fotonene fra solstrålingen. Fotonene fra solstrålingen absorberes av en svart metallplate. Fotonene gir da energien sin til atomene i metallplaten, som fører til at temperaturen i metallplate øker. Siden metallplaten er svart, aborberer denne all solstrålingen. Under den svarte metallplaten ligger det kobberrør som inneholder vann. Dette vannet får høy temperatur og kan da brukes til romoppvarming og varmt vann i en bolig.

 

På oversiden av den svarte metallplaten ligger det en glassplate. Denne slipper energirike fotoner gjennom til metallplaten, men hindrer at varmestrålingen slipper ut.

 

Energilager – fordi sola ikke alltid skinner

Kobberrøret er en del av et større rørsystem som det varme vannet bruker til å sirkulere gjennom og varmer et energilager i huset. Når det varme vannet har avgitt varme går det avkjølte vannet tilbake til solfangeren ved hjelp av en elektrisk pumpe, og blir varmet opp på nytt.

 

Solfangeranlegg er utstyrt med en termostat som stopper sirkulasjonspumpa når temperaturen i solfangeren er lavere enn i energilageret. I tilfelle gråvær må det være en supplerende energikilde i et slikt energilager, for eksempel en elektrisk vannvarmer.

 

Solfangere tar plass, men med god økonomi

Virkningstemperaturen faller når utetemperaturen er lavest, nettopp når oppvarmingsbehovet er størst og antall soltimer minst.

 

9F Varmepumper – oppvarming ved å kjøle ned omgivelsene

 

Ved hjelp av elektrisk energi kan varmepumpen overføre indre energi fra omgivelser med lav temperatur til en bolig med høy temperatur. Den energien vi bruker, er mindre enn den energien varmepumpen leverer. Fordi utetemperaturen er lavere enn innetemperaturen, må varmepumpa bruke høyverdig elektrisk energi.

 

Kjølemiddelet koket utendørs, men kondenserer innendørs – Det er kjølemiddelet som henter energi fra omgivelsene ved å fordampe, og avgir energien til huset igjen ved å kondensere.

 

 

 

 

Varmefaktor = levert varme / tilført elektrisk energi

F= Q/E

 

I de fleste varmepumper som brukes til boligoppvarming ligger varmefaktoren på 3 kWh. For hver kWh vi bruker for å drive pumpen, får vi 3 kWh nyttbar varme.

 

Mulige energikilder – luft jord, fjell og vann

Varmepumper kan hente indre energi fra uteluften, jordbunnen, et fjell, en nærliggende innsjø eller havet. Høyest mulig varmefaktor får vi fra steder der temperaturen er så høy som mulig. Om våren er dette uteluften. Om vinteren er oppvarmingsbehovet størst er luften en dårlig varmefaktor. Temperaturen dypt nede i berggrunnen er derimot tilnærmet året rundt.

 

Med varmepumper henter du energien i nærheten av huset ditt i stedet for å frakte olje, elektrisk energi eller biobrensel. Dette sparer miljøet for utslipp av karbondioksid og man tar i bruk en fornybar energikilde.

 

9 G Solceller – fra strålingsenergi til elektrisk energi

Solceller = overfører solenergi direkte til elektrisk energi

 

To litt forskjellige halvledere gir spenning

Solceller består hovedsaklig av grunnstoffet silisium (Si). Silisium har egenskaper som likner både egenskapene til metaller og ikke-metallet. Derfor kaller man silisium for et halvmetall, og komponenter laget av silisium kaller vi halvledere.

 

Dopede halvledere gir enveiskjøring

Et stoff blir «dopet» når stoffet tilsettes et annet materiale.

En solcelle er laget av to silisiumplater som ikke er helt like. Noen få silisiumatomer er byttet ut med atomer fra andre grunnstoff i de to platene.

- Den ene silisiumplaten er tilsatt noen atomer som gjør at platen får flere elektroner enn normalt (f.eks. fosforatomer med fem elektroner i ytterste skall). Vi kaller denne n-type silisium fordi den har frie negative ladninger (et for mye elektron i ytterste skall = negativ).

- Den andre paten er tilsatt noen atomer som gjør at det er færre elektroner enn normalt (f.eks. Bor med 3 elektroner i ytterste skall). Vi kaller denne p-type silisium fordi det er ledige elektronplasser (et for lite elektron i ytterste skall = positiv ladning).

 

De to dopede silisiumplatene et motsatt ladd og tiltrekker hverandre. Dette er fordi de frie elektronene fra n-platen forsøker å fylle elektronplassene i p-platen. I grenseområdet mellom de to platene blir derfor n-platen positiv ladet, og p-platen negativt ladet. (p-platen får et ekstra lektron, n-platen mister et elektron). Det er denne ladingsforskjellen som er hemmeligheten i en solcelle: den lager en «sperre» som gjør at elektroner ikke kan gå fra n-platen til p-platen (fra – til +).

 

Når sollyset treffer solcellen løsriver lysfotonene elektroner i de to platene. Elektronene som blir «sparket» løs fra p-platen bevegert seg over til n-platen, men kan ikke vandre tilbake (på grunn av sperren). Da blir det overskudd av ladninger på n-platen og disse ladningene må gå gjennom den ytre strømkretsen for å returnere til p-platen. I den ytre strømkretsen leverer elektronen fra seg energi. Hvis elektroner blir slått løs fra n-platen blir det også frie positive hull. Hullene beveger seg over grenseområdet, og de løsrevne elektronene blir tvunget gjennom den ytre kretsen. Solenergien er blitt til en elektrisk energi.

 

Når vi kobler flere solceller sammen, kan vi øke spenningen og effekten

For å øke spenningen kan vi seriekoble to eller flere solceller. Hvis vi ønsker å øke effekt på solcellene, kan vi koble dem i parallell. Ved parallell kobling beholder vi den samme spenningen, men effekten øker.

 

Virkningsgraden er lav

Den relative lave virkningsgraden skyldes at det bare er noen av lysfotonene som treffer solcellene som lykkes i å sparke elektroner mellom silisiumplatene. Noen lysfotoner blir reflektert, mens andre farer tvers gjennom solcellen uten å treffe elektroner.