Naturfag 5, Sammendrag kapittel 9, Energi
- Admin
- 24. nov. 2017
- 9 min lesing
Naturfag 5, Sammendrag kapittel 9, Energi
9A Energi - det som får noe til å skje
Gresk ord, energeia
Energi måles i Joule (J)
Energienheter
Kilokalori (mat), 1kcal = 4,2 Kj
Kilowattimer (strømforbruk), 1kWh = 3,6 MJ
Wattsekund (lyspære), 1Ws = 1J
K = (103)
M = (106)
G = (109)
Energiformer
Dagliglivet:
Kjemisk energi - Elektrisk energi
Kjerneenergi - Strålingsenergi
Solenergi - Lydenergi
Svingeenergi - Varmeenergi
Ifølge fysikere finnes det bare to
Bevegelsesenergi = kinetisk energi
Stillingsenergi = potensiell energi
James Joule
Studerte temperaturøkningen i vannet
Vannet øverst i fossen (stillingsenergi), vannet faller (bevegelsesenergi),
treffer vannmassene - varmeenergi og lydenergi (bevegelsesenergi)
Energikilder → Energimottaker
Vedovn → Stua
Stua → omgivelsene
Energikjeder - energioverganger
Sola → bjørketre → vedovn → stua → omgivelsene
De fleste energikjeder starter i sola
Om vinteren stiger bruken og prisen på elektrisitet. Da er det lønnsomt både for deg og samfunnet at du bruker andre energikilder til boligoppvarming enn elektrisk energi.
Energikjeder i en bolig med vannbåren varme
Privatboliger kan benytte elektrisk vannvarmer, oljefyrkjel og solfanger til oppvarming av et energilager. Sentralanlegget fordeler varmen fra energilageret rundt i huset med lukket rørsystem med gulvvarme og radiator.
Energikjede for elektrisk vannvarmer:
Sola → havet → skyer → innsjø → vannenergiverk → vannvarmer → energilager → radiator → bolig → omgivelsene
Energikjede for oljefyr:
Sola → organisk materiale → fyringsolje → oljefyr → energilager → radiator → bolig → omgivelsene
Energikjede for solfanger:
Sola → solfanger → energilager → radiator → bolig → omgivelsene
Energioverføring
Energioverføring kan overføres fra ett sted til et annet ved varme eller ved arbeid.
Varme er energioverføring som følge av temperaturforskjell.
For eksempel: Varme hendene i varmt vann (Varmeledning) eller ved en varmeovn (stråling)
Vannet/varmeovnen har høyest temperatur og hendene har lavest temperatur
Arbeid er en energioverføring som følge av at krefter virker på en gjenstand som beveger på seg.
For eksempel: Gni håndflatene mot hverandre. Temperaturen blir høyre fordi de utfører et arbeid på hverandre.
Effekt - hvor raskt energien blir overført
Effekt er energi per tid. En lyspære på 60 W har mer effekt enn en på 40W.
Enheten for effekt er watt (W), og er oppkalt etter ingeniøren James Watt.
Effekt (P) er energioverføring - per tid (t):
Effekt = Energi/tid, P = E/t
Energi = Effekt*tid, E = P*t
1 W = 1 J/s
Hva er effekten (P)? (hvor mye energi er overført?)
Varmeovn på 1 kW (1000 W) stått på i 1 time (3600 s)
E = P*t
= 1000 W*3600 s
= 1000 J/s*3600 s
= 3600 000 J = 3600 KJ = 3,6 MJ
Grunnen til at 1 kWh = 3,6 MJ og 1 Ws = 1 J er fordi:
1 kWh = 1 kW * 1 h = 1000 W * 3600 s = 3600 000 Ws = 3600 000 J = 3,6 MJ
9B Varme, temperatur og indre energi
Hører sammen, men ikke det samme
Varme er en energioverføring når det er temperaturforskjeller.
Temperaturen til en gjenstand er en størrelse som sier noe om hvor mye atomene eller molekylene i gjenstanden beveger på seg, de har en bevegelsesenergi hele tiden.
Vi måler temperaturen med en termometer. Både varme og temperatur er fysiske størrelser, det er ikke kulde
En sykkel som står utendørs i en kald morgen. Metallstyret er kaldere enn plastikkhåndtaket, fordi metallstyret leder varme mye raskere vekk fra hånden din enn plastikkhåndtaket. I dagliglivet bruker vi ordene varme og kulde, som er i dette tilfellet energioverføring ved at det går varme fra hånden din når det er en temperaturforskjell.
Det er kaldere når det blåser selv om temperaturen er den samme. Vinden gjør at det blir overført mer energi fra kroppen vår enn når det er stillevind. Den såkalte «vinsavkjølingsfaktoren» kan gjøre at vi opplever -10 °C og stiv kuling like kaldt som -22 °C.
Temperatur og omgivelsene
Energioverføringen skjer ved at det går varme fra gjenstanden med høyest temperatur til den med lavest temperatur. Temperaturen til en gjenstand vil bli den samme som i omgivelsene.
Indre energi
Partikler har bevegelsesenergi og stillingsenergi
Temperaturen er et mål for den indre energien i en gjenstand. Den indre energien er knyttet til atomene, ionene eller molekylene i gjenstanden. Disse partiklene har både bevegelsesenergi og stillingsenergi. Jo mindre atomene beveger seg, jo lavere er temperaturen.
Den totale indre energien er summen av bevegelsesenergien og stillingsenergien til partiklene som gjenstanden er bygd opp av.
Indre energi blir ofte kalt varmeenergi eller termisk energi.
Et fullt glass vann i 60 °C avgir dobbelt så mye varme som et halvfullt glass vann.
Den indre energien er avhengig av både temperatur, hvilket stoff det er og massen av stoffet.
Temperaturskalaer - celsius og kelvin
Celsiusskalaen er oppkalt etter Anders Celsius
De to temperaturskalaene kelvin og celsius er annerledes, 0 i celsiusskalaen er der vann fryser til is, og 100 er da det koker. Når atomene står i ro kaller vi dette det absolutte nullpunktet, og det er der kelvin (K) skalaen starter (-273,15°C) og resten er bare plussgrader
Vi har tilstandsformer, fast form, væske eller gass, og jorda er avhengig av vann sin evne til å endre form, smelting og frysing, koking, fordamping og kondensering
Tilstandsform - fast form, væske eller gass
Tre tilstandsformer:
Is (fast form)
Vannmolekylene ligger i samme posisjon i forhold til hverandre i et nettverk.
Vann (væskeform)
Vannmolekylene kan bevege seg i foldhold til hverandre, de kan altså bytte plass.
De ligger så nær hverandre at de blir holdt sammen av svake bindinger.
Vanndamp (gassform)
I vanndamp er avstanden mellom vannmolekylene så stor at de beveger seg fritt.
Tilstandsoverganger
I en tilstandsovergang blir det overført energi uten at temperaturen endrer seg.
Når is smelter eller vann koker.
Både smelting og fordamping krever energi. Energien blir bare brukt til dette, og ikke til å øke bevegelsesenergien til molekylene.
Det er tilstandsovergangene som er mest energikrevende.
Smelting og størkning
Skjer ved samme temperatur.
Smelting krever energi og størkning avgir energi.
Fordamping og kondensering
Fordamping og kondensering er to helt forskjellige ting, fordamping krever energi (en vannpytt forsvinner i varmt vær) og kondensering avgir energi. Det kreves altså ikke 100 grader for at vann skal gå over til vanndamp
9C Energiloven - energi forsvinner ikke men kvaliteten blir dårligere
Energiloven sier at energi kan verken oppstå eller forsvinne, bare overføres fra en form til en annen
Når bremser sykkelen vil energien bli overført til varmeenergi ved bremsene og hvis det i tillegg piper overføres bevegelsesenergien også til lydenergi. Sykkelen går kan også gå over til stillingsenergi dersom den triller oppover en bakke og bevegelsesenergi ned bakken igjen.
Energikvaliteten
Vi har lavverdige og høyverdige energiformer. Lavverdi er vanskelig å overføre til nye energiformer, men høyverdige energiformer kan enkelt overføres.
Eksempler på lavverdige energiformer er kjerneenergi, lydenergi og indre energi.
Eksempler på høyverdige energiformer er elektrisk energi, stillingsenergi, bevegelsesenergi og kjemisk energi.
Loven om energikvalitet
I en energioverføring synker den samlede energikvaliteten.
Det vil si at den bare blir mindre tilgjengelig for oss.
9D Energibruk i dagliglivet
Energibruken økte kraftig på 1900-tallet. Økningen skyldes hovedsakelig det energikrevende levesettet og den store befolkningsøkningen i verden.
Sola
Sola er vår viktigste energikilde og 99% av våre energikjeder har utgangspunkt i den. Mindre enn 1% kommer fra det indre i jorda.
Energien fra sola kommer av fusjon av hydrogen til helium.
Vi kan dele energikilder inn i ikke-fornybare og fornybare energikilder
Virkningsgrad
Virkningsgraden av energien er hvor mye energi du får inn og hvor mye du kan ta i bruk.
I biler er virkningsgraden ca. 25%. I solcellepanel er virkningsgraden ca. 30%, og menneskekroppen har ca. 10-20%.
Virkningsgrad = Nyttig energi/Tilført energi*100%
Virkningsgrad til solcellepanel
Solcelle med areal på 3m2, Effekten er 300 W/m2, virkningsgraden er 30%
Mottatt energi:
300 W/m2 * 3m2 = 900W
I løpet av en time blir den mottatte energien:
E = P*t = 900W*1h = 900 J/s * 3600s = 3240 000 J = 3240 kJ = 3,24 MJ
Virkningsgraden er 30%
3240 000 J*0,30 (100/30) = 972 000 J
Energiøkonomisering - ENØK
I Norge bruker vi mer energi enn vi selv produserer, selv med alle vannkraftverkene. ENØK (Energiøkonomisering) handler om å utnytte energien på den mest mulig effektive og lønnsomme måten
9E Solfangere
Fra strålingsenergi til indre energi
Sola sender ut masse energi, solfangere «fanger» energien i fotonene fra sola (solstrålingen). Energien absorberes av en svart metallplate, der fotonene overfører energien sin til atomene i plata, som gjør så temperaturen i plata øker. Fordi plata er svart, absorberes nesten all solstrålingen.
Det ligger kobberrør i plata som gjør så vannet som sirkulerer får høy temperatur, som brukes til romoppvarming og varmtvann.
Det er en kasse i bunnen som hindrer varmetap, og en glassplate på toppen som slipper inn fotoner, men hindrer varmestrålingen i å slippe ut, akkurat som et drivhus.
Kobberrøret er en del av et lukket system som får det varme vannet til å sirkulere gjennom og varme et energilager. En elektrisk pumpe sender det brukte og avkjølte vannet tilbake ved hjelp av en elektrisk pumpe.
Solfangeren er utstyrt med en termostater som stopper sirkulasjonspumpa når temperaturen i solfangeren er lavere enn i energilageret.
Fordi det ikke er sol hele tiden, har vi ofte et lager med vann som blir varmet av elektrisk energi når det er under den ønskede temperaturen
Det trengs 1m2 solfanger for å dekke en person for nok varmtvann.
Solfangere må rettes mot sør i 45-60% mot sola i forhold til vannrett og de står ofte på taket. Det er ganske dyrt å installere det, men det er god økonomi i det lange løp, i de beste forholdene er virkningsgraden ca. 80%
9F Varmepumper
En varmepumpe overfører indre energi fra omgivelsene til en bolig. Fordi innetemperaturen er lavere enn utetemperaturen, må den bruke høyverdig elektrisk energi.
Den indre energien ute kan føre til at en varmepumpe kan varme opp huset, selv om det er kaldt ute. Det går ikke å overføre det som varme direkte, så en varmepumpe må til for å bruke elektrisk energi til å få det varmt. Vi får mer energi tilbake enn det vi bruker av elektrisk energi - dette kalles varmefaktor: Varmefaktor=levert varme(Q)/tilført elektrisk(E) energi eller f=Q/E
En varmepumpe har 4 prosesser:
Det er et kjølemiddel som har lav koketemperatur. Kjølemiddelet tar til seg energi fra omgivelser ved å fordampe - f.eks. 5 grader - at det blir til gassform
En kompressor trykker gassen sammen og temperaturen (f.eks. 40) og kokepunktet blir høyere, det er her den elektriske energien kommer inn for å gjøre denne prosessen og for å pumpe gassen videre
Inni huset er det en kondensator der temperaturen til gassen er høyere enn i huset, varmen fra gasset kommer fra temperaturforskjellen og kondenseringen som avgir varme til omgivelsene og blir til væske.
Væsken pumpes til en ventil der trykket blir redusert og temperaturen faller tilbake til originalen (her 5 grader)
Mulige energikilder - luft, jord, fjell eller vann
En varmepumpe kan hente indre energi i utelufta, i jordbunnen, i fjell, i en nærliggende innsjø eller i havet.
Norge kan hente indre varme fra mye, om sommeren trengs bare lufta, men om vinteren kan vi bruke fjellgrunnen eller den indre varmen fra havbunnen
Før var varmepumper miljøskadelige, men ikke nå mer. Andre fordeler enn å spare miljøet er at du sparer frakt av energi og du sparer energiregningen
9G Solceller - fra strålingsenergi til elektrisk energi
Solceller overfører solenergi direkte til elektrisk energi, de blir brukt mye på hytter, men også til små duppeditter fordi det er nå mye billigere enn det var før
Solceller blir laget av to plater med silisium som er litt forskjellige. Silisium er halvledermateriale. Noen silisiumatomer i platene er byttet ut med atomer av andre grunnstoff. Vi sier at silisiumplata er «dopet». På grunn av solcellens konstruksjon blir de løsrevede elektronene tvunget til å gå gjennom en ytre krets fra den ene plata til den andre. Da får vi strøm.
Det ligger silisiumkrystaller med 4 elektroner tett i tett for å få 8 i det ytterste skallet sitt.
Det er to plater og den ene «dopes» med fosforatomer (fem elektroner i ytterste skall) og noen elektroner blir til overs, altså noen blir «frie», plata blir nå kalt n-type.
Den andre plata dopes med bor (tre elektroner i ytterste skall) og får et ledig positivt hull i strukturen, plata blir nå kalt p-type.
Sperre for frie elektroner mellom platene med elektrisk spenning.
N-plata legges oppå P-plata og frie atomer bevege seg over til P-plata, noe som gjør så det blir overskudd av negativ energi på den ene plata og positivt på den andre.
Den elektriske spenningen mellom platene gjøre at elektronene bare kan vandre den ene veien, eller gå rundt i en ytre krets. Solstrålene kan løsrive elektroner, som da går inn i kretsen.
For å få mer spenning og effekten må vi koble i enten parallellkoblinger eller seriekoblinger. Ønsker man større effekt kan man koble den i parallell. De fleste hytter bruker 12V, så der må vi seriekoble flere sammen (en enkelt solcelle gir vanligvis en spenning på 0,5V)
Solceller har en virkningsgrad på om lag 10%, og kan komme opp i 30%. Den er så lav fordi alle solstrålene ikke blir absorbert, og noen treffer ikke elektroner
9H Biomasse
Biomasse (organiske forbindelser i dyr- og plantemateriale som inneholder energi) er CO2 nøytralt
Viktige kilder til biomasse er ved, rester fra skogbruk, halm, husdyrmøkk, avfall og kloakksalm.
En kan bruke f.eks. flis og bark til å lage pellets, briketter eller trepulver, og selv om det er fornybart er det ikke nødvendigvis miljøvennlig, fordi partikler og sot kan forurense lufta. Disse tingene går under betegnelsen foredlet biomasse
Deponigass er en slags biogass, ofte i form av metangass som vi får når søppel brytes ned uten oksygen (anaerob nedbryting). Biogassen kan bli brukt til brennstoff. Her fjerner vi en klimagass og vi får energi
Ved å varme opp avfall i reaktorer får vi reaktorgasser, som også er biogasser.
Flytende biodrivstoffer som etanol, metanol og biodiesel kan brukes til energikilde til bilder.
Biodrivstoff kan enkelt fylle Norge sin del av klimaavtaler, der etanol og metanol blir brukt sammen med vanlig bensin (15%), eller helt alene i spesialbygde biler. Bioetanol framstilles ved å gjære planter som inneholder sukker, cellulose eller stivelse som korn, mais, poteter, sukkerrør og til og med tre. Biometanol blir ofte framstilt av biogass.
Biodiesel blir stort sett framstilt av planteoljer og dyrefett som fiskefett. De moderne dieselmotorene trenger ikke å ombygges for å bare gå på biodiesel
Vi har 1.generasjons (lagd av f.eks. raps) og 2.generasjons (avfall fra skogbruk) biodrivstoff. Fordi 1.generasjonen konkurrerer med matnæringen er det flere som satser på 2.generasjonen
Commentaires