2. Typer af energi

Kapitlet dækker:

  1. Kinetisk energi
  2. Potentiel energi
  3. Omdannelse af energi
  4. Hvordan måles energi?
  5. Effekt
  6. Virkningsgrad

 

Hvad er energi?

      

Når man efter en lang løbetur eller en hård dag i skolen lægger sig på sofaen og mener, at man ikke har mere energi, er det så den samme energi, som når olie brændes af i kraftværker? For at besvare dette, er det nødvendigt at analysere, hvordan energi egentligt kan beskrives.

Energi kan optræde på en lang række forskellige former: varme (termisk), lys (strålevarme), mekanisk, elektrisk, kemisk og atomkraft. Der findes desuden grundlæggende to kategorier af energi: oplagret energi (potentiel energi) og bevægelsesenergi (kinetisk energi). Man kan igen opdele energi i to forskellige typer: vedvarende energi og konventionel energi (ikke-vedvarende). Med konventionel energi menes en energi som forbruges og ikke kan genskabes over en kort periode. Det modsatte er derfor vedvarende energi, som er energikilder, der kan bruges igen og igen. Vedvarende energikilder omfatter solenergi (energi fra solen, som kan anvendes til el og varme), vindenergi, geotermisk energi (energi fra jordens indre), biomasse fra planter, og vandkraft fra vand.

I dag får vi det meste af vores energi fra konventionelle energikilder og herunder især de fossile brændstoffer – olie, naturgas og kul. Disse kaldes fossile brændstoffer, fordi de er blevet dannet af døde planter og dyr over millioner af år under varmepåvirkning og tryk fra Jordens kerne. En anden ikke-vedvarende energikilde, som vi også benytter os af, er grundstoffet, uran, hvis atomer vi har fundet ud af at dele for at skabe varme og i sidste ende el via en proces, der kaldes nuklear fission.

I en atombombe er det kernereaktioner, der skaber den ødelæggende kraft. Kerneenergi bliver til kinetisk energi, termisk energi (varme) og restprodukter. I kul er det kemisk energi, der ved forbrænding omdannes til termisk energi samt restprodukter.

Energi kan skifte fra en form til en anden form, så den kan være svær at holde styr på. Men man kan bruge formler for hver energiform og sætte tal på, hvor meget energi, der er i et system. Hvis energien veksles til en anden form, kan man igen beregne, hvor meget energi, der er i systemet. Der er en fælles enhed for energi i alle former nemlig Joule, som forkortes med J.

Potentiel energi

Vi har tidligere nævnt de to forskellige måder, hvorpå energi kan oplagres: potentiel og kinetisk energi. Potentiel energi kaldes også “beliggenhedsenergi”, da det defineres som den energi et system besidder i kraft af dets beliggenhed.

 

Øvelse: Potentiel og kinetisk energi

Læg en blyant eller kuglepen på kanten af bordet. Skub den den nu ud over kanten. Mens blyanten hænger i luften bruger den kinetisk energi.

Saml nu blyanten op fra gulvet og læg den tilbage på bordet. Du har nu brugt din egen energi på flytte blyanten. Ved at flytte blyanten har du tilføjet energi til blyanten, og mens den ligger på bordet, har den en potentiel energi. Jo højere den er over gulvet, jo længere kan den falde, og des større er dens potentielle energi.

 

Definition: Potentiel energi

Et systems potentielle energi er defineret som:

Epot = m · g · h

hvor m er systemets masse i kg, g er tyngdeaccelerationen (9,82 m/s2 i Danmark) og h er systemets højde over nulniveauet i m. Enheden for Epot er J.

Vi kan altså ud fra ovenstående definition se, at den potentielle energi afhænger af systemets masse, højde og tyngdeacceleration (mens vi befinder os på Jorden, vil denne dog være konstant). Det betyder, at hvis vi fordobler systemets masse vil den potentielle energi fordobles. Ligeledes vil en fordobling af systemets højde over nulniveauet også føre til en fordobling af systemets potentielle energi.

Figur 2.2. Når blyanten ligger på et bord over gulvhøjde har den en potentiel energi.

Eksempel: Potentiel energi

Hvis vi har en kugle, som ligger på en hylde 230 cm over et gulv, med massen af kuglen er 450g, kan vi udregne dens potentielle energi således:

Epot= 0,45 kg · 9,82 m/s2 · 2,3 m = 10,16 J

 

Kinetisk energi

Den anden type lagring af energi er kinetisk energi. Denne kaldes også “bevægelsesenergi” og defineres, som den energi besidder i kraft af dets hastighed.

 

Definition: Kinetisk energi

Kinetisk energi er den energi, et system besidder i kraft af dets hastighed. Den

defineres som: Ekin = 1/2 m · v2

hvor m er systemets masse i kg og v er systemets hastighed i m/s. Enheden for Ekin er J.

 

En bil i høj fart er et godt eksempel på et system med høj kinetisk energi.

 

Eksempel: Kinetisk energi

Hvor stor er den kinetiske energi for en bil på 800 kg der kører på motorvejen med 110 km/t?

Først regner vi hastigheden ud i m/s:

v = 110 · 1000m/(60 · 60s) = 30,6 m/s

Vi kan nu finde den kinetiske energi:

Ekin = 1/2 · 800kg · (30,6 m/s)2 = 374544J

 

Øvelse: Kinetisk energi ved opbremsning

De fleste elbiler har en “motorbremsefunktion”, hvor bilens kinetiske energi oplagres som strøm. Udregn hvor meget energi en elbil kan oplagre, hvis den bremser fra 50 km/t til fuldt stop? Bilen og chauffør vejer totalt 750 kg.

 

Omdannelse af energi

Når man i fysikken (og i naturvidenskaben generelt) snakker om energi, findes der forskellige love, som beskriver de grundlæggende principper. En af de vigtigste er termodynamikkens 0. hovedsætning som udtrykker sig om energiens konstans. Energi kan blive omdannet fra én type til en anden, men ikke blive nedbrundt. Det vil altså sige, at den samlede mængde energi, der var i universet lige efter Big-Bang findes stadig – den fremtræder bare på mange forskellige former.

Definition:  Termodynamikkens 0. hovedsætning

Tilvæksten af energi Etilført i et isoleret system er altid nul:

Etilført = Estart – Eslut = 0 (isoleret system)

Med ord betyder det, at den mængde energi man tilfører et system skal være den samme som tilvæksten i systemets indre energi, og den mængde energi systemet afgiver.

 

Fakta: Forbrug af energi

Når energi altid er bevaret, er det lidt misvisende at sige, at man forbruger energi eller producerer energi. Det man i stedet burde sige var, at man omdannede energi fra én form til en anden. F.eks. omdannes elektrisk energi til varme energi, når man varmer vand med en elkedel.

 

Der er mange praktiske eksempler på omdannelse af energi, og her kommer en række forskellige.

Et lukket system med to energistrømme ind og én energistrøm ud. Det vil altså sige, at der kommer lige så meget energi ud, som der kommer ind.

Oplagret energi i en lommelygtes batterier bliver lysenergi når lygten er tændt. Fødevarer er lagret energi. Den lagres kemisk som potentiel energi. Når din krop bruger den lagrede energi til at gøre arbejdet, bliver det kinetisk energi. Hvis du spise for meget, bliver energien i maden ikke forbrændt, men gemmes som potentiel energi i fedtceller.

  • Når du taler i telefon, er din stemme omdannes til elektrisk energi, som passeres gennem ledninger (eller transmitteres gennem luften) til modtageren. Telefonen i den anden ende ændrer den elektriske energi til lydenergi gennem højttaleren.
  • En bil bruger lagret kemisk energi i benzin til at bevæge sig. Motoren ændrer den kemiske energi til varme, der skaber kinetisk energi til at drive bilen.
  • En brødrister ændrer elektrisk energi til varme og lys energi. (Hvis du kigger ned i brødristeren, kan du se at ledningerne også udsender lidt lys.)
  • Et fjernsyn ændrer elektrisk energi til lys og lyd energi.

Det vil altså sige, at intet energi går tabt, men blot skifter from fra én til en anden.

 

Se videoen fra Roskilde Festival og overvej hvilke energiformer, som optræder, og hvor i processen fra cykelben til mobiltelefon de gør det.

 

Denne video forklarer begrebet “energy harvesting”, hvor man udnytter energi, som ellers går til spilde som varme eller lignende.

 

Hvordan måles energi?

I fysikken beskæftiger man sig med naturens egenskaber og størrelser og prøver at sætte tal på disse f.eks. energi, kraft, hastighed og længde. Disse kaldes for fysiske størrelser. Enhver fysisk størrelse har tilknyttet et tal og en enhed. Tag f.eks. den fysiske størrelse kraft F som har enheden N (Newton). Man siger, at noget påvirkes med en kraft F på 10 N.

For at undgå forvirring omkring enheder blev der i 1954 lavet et internationalt standardiseret system som på fransk hedder ”Systéme International d’Unités”. Det kaldes i daglig tale for SI-systemet. I tabellen er listet nogle af de mest almindelige SI-enheder.

 

Fakta: SI-enheder

Det er altid en god idé at starte med at regne alt om til SI-enheder. Således gør man det nemmere for sig selv at holde styr på. Det så vi blandt andet i eksempel 2.2, hvor vi omregnede km/t til SI-enhedne m/s. 

 

Tabellen  viser en oversigt over de mest benyttede SI-enheder.

Man har foruden de fælles SI-enheder også defineret et sæt fælles SI-præfikser. SI-præfikser er et udtryk, der sættes foran enhedsbetegnelser. For eksempel er kilo et SI-præfiks som ganger en enhed med 1000. Dvs. at 2 kilometer er det samme som 2000 meter. Efterfølgende tabel giver en oversigt over anvendte SI-præfikser.

Skemaet viser en oversigt over de mest benyttede SI-enheder.

Eksempel: SI-enheder

En dåse Red Bull indeholder ca 480 kJ (480000 joule). Med den energi kan du:

  • Jogge i 12 minutter (2400kJ pr. time)
  • Cykle i 16 minutter (1800kJ pr. time)
  • Gå raskt i 24 minutter (1200kJ pr. time)
  • Sove i 2 timer (275kJ pr. time)
  • Køre en bil i 7 sekunder ved 80 km/t
  • Have en 60-watt pære tændt i 2,5 timer

 

Effekt

Energi har enheden J (Joule) opkaldt efter den engelske fysiker James P. Joule der i midten af 1800-tallet udførte målinger af omsætningen mellem mekanisk og termisk energi. Energiomdannelser kan ske ved forskellige hastigheder.

Som mål for hvor hurtigt en energiomdannelse sker, bruges betegnelsen effekt, som er energi per tid. Hvis en sparepære omdanner 35 J på 5 sekunder har den en effekt på 7 W. En støvsuger med en påtrykt effekt på 2000 W vil i løbet af 15 minutter have brugt 1,8 MW eller 0,5 kWh. Til sammenligning svarer det til at have 2000 LED-pærer tændt i 15 minutter.

 

Definition:

Definition: Effekt

Effekt defineres som den omdannede energi E i tidsrummet t:

P = E/t

Effekten måles i watt (W) eller Joule pr. sek (J/s).

 

Når man snakker om elektrisk energi bruges i dagligdagen benævnelse kWh (kilo-watt-timer). Det er den energi, der omdannes på en time, hvis et apparat har effekten 1kW. Altså bruger et elektrisk apparat på 1 W på 1 time energien svarende til 1 Wh (watt-time).

Se pencast-forklaring af effekt og energi på linket her.

 

 

Eksempel: Effekt af en elkedel

Hvis du ønsker at koge vand til at en kop nudler bruger du som oftest en elkedel. En elkedel har en effekt på 1800 W, og det tager 2 minutter at få vandet til at koge. Den omsatte energi er dermed:

E = P · t = 1800W · 2 · 60s = 216000J = 216kJ 

eller i kWh:

Ewatt = 216000J / (60 · 60s) = 60Wh = 0,06kWh

 

Øvelse: Glødepærer eller sparepærer?

En 7 W sparepære giver lige så meget lys som en 40 W glødepære. En sparepære koster 50 kr. og ”lever” 8000 timer, mens en glødepære koster 12 kr. og ”lever” 1000 timer.

  1. Beregn energiforbruget for hver type pære i 8000 timers drift.
  2. Beregn den samlede pris for anskaffelse og drift (1,80 kr. pr. kWh el).
  3. Beregn den årlige besparelse, når lyset i gennemsnit er tændt 5 timer pr. dag.

 

Virkningsgrad

Vi så af Termodynamikkens 0. hovedsætning, at energi ikke kan blive forbrugt, og at den samlede energi altid ar bevaret. Hvorfor er der så nødvendigt at skaffe ny energi, og hvorfor snakker man om, at verden vil kunne risikere energimangel?

Det er fordi, der sker tab i energiomdannelser. Med tab skal forstås: den mængde energi ved en energiomsætning, vi ikke kan bruge til noget, og som er utilsigtet. Når en gammeldags glødepære er tændt omdanner den elektrisk energi til lysenergi og varme. Lyset vil vi gerne have, men varme kan vi ikke bruge til noget, og det betegnes som tabet ved energiomdannelsen. Faktisk omdanner glødepærer kun ca. 5% af den elektriske energi til lys, resten bliver til varme. Energien er altså ikke blevet væk men er omdannet til noget ikke brugbart.

For at kunne beskrive matematisk hvor gode forskellige energiomdannelsesprocesser er, indfører man betegnelsen virkningsgrad. Den fortæller, hvor meget af den tilførte energi der omdannes til nyttig energi.

 

Definition: Virkningsgrad

Virkningsgraden for et fysisk system benævnes η (eta) og defineres som:

η = udnyttet energi/tilført energi

η er et tal mellem 0 og 1, da man ikke kan udnytte mere energi, end man tilfører.

 

Når man snakker om, at der forekommer et tab af energi er det vigtig at fastslå, at energien ikke forsvinder. Den omdannes til en anden energiform, og tabet vil oftest være i form af diffus varmeenergi. Der kan også opstå det, der kaldes varmeforurening, hvor varmespild fra fabriksområder ophobes lokalt og kan skabe ændringer i lokale økosystemer.

Fakta: Glødepærer

Virkningsgraden for en glødepære er ca. 5% (η = 0,05). Det vil sige, at ca. 95% af den tilførte energi “går tabt” som varme eller lignende. Sammenligningsvist har en LED-pære eller en sparepære en virkningsgrad på ca. 15%, mens et stearinlys har en virkningsgrad på ca. 0,1%.

Se en større oversigt over virkningsgrader her.

Opsummering:

  • Kan du huske disse begreber?
    • Potentiel energi
    • Kinetisk energi
    • Termodynamikkens 0. lov
    • SI-enheder
    • Effekt
    • Virkningsgrad

 

Øvelse: Amagerværket

Amagerværket i København består af tre produktionsenheder, som kaldes blokke, hvoraf to er i brug i øjeblikket. Blok 1 og 3 leverer el til det nordiske elnet og fjernvarme til det storkøbenhavnske fjernvarmenet. Amagerværket kan på blok 1 og 3 i alt producere 900 MW til både el og fjernvarme.

  1. En 100 m høj vindmølle har en maksimal kapacitet på 2 MW. Hvor mange skal der til for at erstatte Amagerværket?
  2. Brændværdien for halm er ca. 15 MJ/kg. Hvor meget halm skal afbrændes i timen, hvis Amagerværket udelukkende skulle fyre med halm på blok 1, der yder 318 MW? Der antages en total virkningsgrad på 90%.
  3. Hvorfor foretrækkes biomasse frem for fossile brændsler?
  4. Strøm er svær at lagre, men batterier til elbiler kan oplades til ca. 30 kWh. Hvor mange elbiler kan en vindmølle oplade på et døgn?
  5. Hvor mange el-biler kan Amagerværket oplade på et døgn, hvis el-produktionen er på 300 MW?
  6. Hvorfor ville det være problematisk, hvis vindmøller erstattede kraftvarmeværker fuldstændigt?
  7. Undersøg hvilke andre muligheder man har for at lagre strøm.

Quiz

Er et systems potentielle energi altid større end dets kinestiske energi?

  • Ja, den potentielle energi er størst.
  • Nej, den kinetiske energi er størst.
  • Man kan ikke umiddelbart vide hvilken der er størst.
  • Den kinetiske energi er størst hvis systemet bevæger sig, uanset hastigheden.
  • Den potentielle energi er størst hvis systemet befinder sig over nulpunkt, uanset højden.

Link til kapitel 3: Produktion af energi

More...