energi
Store norske leksikon,Realfag,Fysikk,Fysikk
Energi er det som kan få noko til å skje. Energi kjem i ulike former og kan gå over frå ei form til ei anna. Energi kan også overførast frå ein gjenstand eller eit system til eit anna. Eit menneske kan få tilført energi frå mat og bruke energi til å bevege seg. Eit solcellepanel kan få tilført energi frå Sola, og denne energien kan nyttast til å drive eit elektrisk apparat.
Energi er i fysikken ein storleik som kan talfestast. Den avheng av målbare storleikar som fart, masse, temperatur og ladning. Energi er definert som evna til å utføre arbeid, der arbeid er ein storleik som er knytt til krefter og bevegelse. Til dømes trengs det energi for å endre farten til ein gjenstand, løfte den opp eller varme den.Energi kan ikkje oppstå eller forsvinne, men er alltid bevart. Denne lova om energibevaring gjer det mogleg å forstå naturlege og teknologiske prosessar og føreseie utfallet av dei. Energi som naturvitskapleg omgrep har difor stor forklaringskraft og nytte.Energikjelder er noko som inneheld energi som kan gjerast om til ei form som er nyttig for menneska, men energien oppstår ikkje i energikjelda. Energiforbruk vil seie at energi går over frå ei nyttig form til ei mindre nyttig form, men energien vil ikkje brukast opp eller forsvinne.Standardeininga for energi er joule (J). Nokre andre einingar for energi er kilokalori (kcal) som ofte blir bruka om energiinnhald i matvarer, kilowattime (kWh) som ofte blir bruka om energi levert av energiverk (kraftverk), og elektronvolt (eV) som blir bruka om svært låge energiar. Former for energi Energi kjem i ulike former og kan gå over frå ei form til ei anna. Dei to grunnleggande formene for energi er potensiell energi og kinetisk energi. Andre former for energi kan sjåast på som anten potensiell eller kinetisk energi. Potensiell energi er energien ein gjenstand har fordi krefter som kan sette den i bevegelse verkar på den. Den potensielle energien er avhengig av avstanden mellom gjenstanden og det som verkar på den med krefter. Difor blir potensiell energi også kalla stillingsenergi. Eit trofé heldt over hovudet til ein Grand Slam-vinnar i tennis har potensiell energi fordi tyngdekrafta frå Jorda dreg trofeet ned mot bakken. Her er den potensielle energien Ep gjeve som massen m til trofeet gonga med høgda h det har over bakken og tyngdeakselerasjonen på jordoverflata g. \[E_p = mgh\] Potensiell energi som skuldast at gjenstandar med masse verkar på kvarandre med tyngdekrefter, kan kallast tyngdeenergi. Kjemisk energi, elektrisk energi og kjerneenergi er også potensiell energi, men her er det elektriske krefter og kjernekrefter som verkar. Kinetisk energi er energien ein gjenstand har fordi den er i bevegelse. Kinetisk energi blir også kalla bevegelsesenergi. Kinetisk energi Ek er avhengig av massen m til gjenstanden og farten den har, v. \[E_k = \frac{1}{2}mv^2\] Viss tennisspelaren på biletet slepper trofeet, vil det få meir og meir kinetisk energi ettersom farten aukar i fallet. Termisk energi og strålingsenergi er også kinetisk energi. Kjemisk energi er den energien som er bunden i bindingane mellom atoma i molekyl og kjemiske sambindingar. Bindingane skuldast elektriske krefter mellom partiklane som molekyla består av. Kjemisk energi er difor potensiell energi. Døme på kjemisk energi i dagleglivet er energien som er lagra i matvarer, ved eller fossilt drivstoff. Når matvarer oppgjer energiinnhald på emballasjen, er det den mengda energi som typisk blir frigjort i fordøyinga av maten. Stoffa maten består av, vil i tillegg innehalde både kjemisk energi og kjerneenergi som ikkje blir frigjort og som difor ikkje er medrekna i slike høve. Termisk energi er den energien ein gjenstand eller eit fysisk system har på grunn av temperaturen den har. Temperaturen er avhengig av den kinetiske energien til partiklane gjenstanden består av; høgare kinetisk energi gjev høgare temperatur. Termisk energi er derfor kinetisk energi. Når termisk energi blir overført frå ein gjenstand med høg temperatur til ein med lågare temperatur, kallast det varme. Derfor blir termisk energi også kalla varmeenergi. Summen av kjemisk energi og termisk energi i ein gjenstand eller eit system kallar vi indre energi. Den indre energien i ein kopp varm kakao består altså av kjemisk energi lagra mellom anna i sukker som vi kan forbrenne i kroppen, og termisk energi som vi kan kjenne ved at vi blir varme av å drikke kakaoen. Elektrisk energi er potensiell energi som skuldast elektriske krefter mellom partiklar eller gjenstandar med elektrisk ladning. Elektrisk energi kan omdannast til mange energiformer vi har nytte av, til dømes termisk energi i varmt vatn, strålingsenergi i ei lampe eller kinetisk energi i ein elektrisk bil. Dei aller fleste energiverk (kraftverk) i verda omdannar ulike former for energi til elektrisk energi som kan nyttast vidare. Strålingsenergi er energi som blir overført ved hjelp av elektromagnetisk stråling eller partikkelstråling. Vi omgir oss dagleg med strålingsenergi i til dømes sollys og varmestråling frå ting rundt oss, og i ioniserande stråling frå radioaktive kjelder og verdsrommet. Strålingsenergi skuldast elektromagnetiske felt eller partiklar i bevegelse, og er derfor kinetisk energi. Kjerneenergi er energi bunden i bindingane mellom partiklane som utgjer atomkjernar. Når ein atomkjerne endrar seg, kan noko av denne energien bli frigjort og sendt ut som strålingsenergi. Når slike endringar i atomkjernen skjer spontant, kallast det radioaktivitet. Sidan partiklane i atomkjernen verkar på kvarandre med sterke krefter, er kjerneenergi potensiell energi. Energioverføring og energiovergangar I ei energioverføring blir energi overført mellom ulike gjenstandar eller system. Når vi blir varme av å drikke kakao, har termisk energi vorte overført frå kakaoen til kroppen som varme. I ein energiovergang går energi over frå ei form til ei anna. Viss tennisspelaren på biletet slepper trofeet slik at det dett nedover mot bakken, går meir og meir av den potensielle energien til trofeet over til å bli kinetisk energi. Rett før den treffer bakken har nesten all den potensielle energien gått over til kinetisk energi. Litt energi har også gått over til termisk energi i lufta som trofeet har skuva vekk på vegen. Og når trofeet har stoppa heilt på bakken, har all den potensielle energien enda opp som termisk energi og litt energi i form av lydbølgjer. Dei fleste naturlege og teknologiske prosessar inneheld både energiovergangar og energioverføring. I fotosyntesen blir strålingsenergi frå Sola overført til grøne planter der det blir lagra som kjemisk energi i sukkermolekyl. Eit vassenergiverk utnyttar at potensiell energi i vatn endrar form til kinetisk energi i vatn som blir overført til ein turbin som omdannar den kinetiske energien til elektrisk energi. Energibevaring Energi kan ikkje oppstå eller forsvinne, men den kan gå over i andre former og overførast mellom ulike gjenstandar eller system. Dette er lova om energibevaring, også kalla termodynamikkens første lov. På grunn av energibevaring, kan ikkje energien til eit system endre seg av seg sjølv. Viss ei endring skal skje, må systemet enten gi frå seg eller få tilført varme, og/eller det må utføre eit arbeid sjølv eller få arbeid utført på seg. Ei anna formulering av energibevaringslova er derfor slik: Den totale energien i eit isolert system er bevart. Eit isolert system er eit system der ingen energi blir utveksla med omgivnaden. Eit system kan til dømes vere ein termos eller heile jordkloden. Ingen verkelege system er fullstendig isolerte frå omgjevnadane. Til dømes tek Jorda imot strålingsenergi frå Sola og gir frå seg varmestråling til verdsrommet. Energi er drivkrafta i alle prosessar, både naturlege og teknologiske. Lova om energibevaring gjer det mogleg å rekne på energiomsetting i prosessane og føreseie resultata av dei. Den gjer det mogleg å finne ut til dømes korleis ein kan lage demping i joggesko, og kva konsekvensane kan bli av at klimasystemet inneheld meir energi på grunn av auka drivhuseffekt. Matematisk kan termodynamikkens første lov uttrykkast som \[\Delta U = Q +W\] Her er \(\Delta U\) endring av den indre energien til eit system, Q er varmen systemet tek imot og W er arbeid gjort på systemet. \(\Delta U\) er positiv når den indre energien aukar, Q er positiv om systemet tek imot varme, og W er positiv om det blir gjort arbeid på systemet. Energikvalitet Energikvalitet handlar om kor effektivt energien kan omdannast til andre energiformer. I alle spontane prosessar går den samla energikvaliteten ned. Dette er lova om energikvalitet. Elektrisk energi har høg energikvalitet medan termisk energi har låg energikvalitet. Viss vi brukar ein elektrisk komfyr til å koke opp vatn, klarar vi aldri å samle all den termiske energien vatnet har fått og omdanne det til elektrisk energi igjen. Sjølv om energibevaringslova seier at energi aldri kan forsvinne, kan vi altså ikkje berre resirkulere energi og bruke den opp att. Lova om energikvalitet fortel oss kva retning prosessar vil gå spontant. Dei vil alltid gå frå høgare til lågare energikvalitet. Det inneber til dømes at varme alltid flyt frå ein gjenstand med høg temperatur til gjenstandar med lågare temperatur, aldri omvendt. Viss det blir hol i eit sykkeldekk som er pumpa opp, vil luft alltid strømme ut av dekket, ikkje inn. Det går an å pumpe meir luft inn i dekket, men da må vi tilføre energi ved å pumpe. Energikvalitetslova blir også kalla termodynamikkens andre lov. I matematiske formuleringar av termodynamikkens andre lov er det vanleg å bruke storleiken entropi, som er eit mål på kor mykje uorden det er i eit system. Termodynamikkens andre lov seier at den samla entropien i eit isolert system alltid vil auke. Energikjeder Ei energikjede er ein serie med energiovergangar og energioverføringar frå energikjelde til energimottakar. Ei energikjelde er altså starten på ei energikjede. Det er ikkje ei kjelde i den forstand at energi oppstår der av seg sjølv, sidan energibevaringslova seier at det ikkje kan skje. Energiovergangane i dømet med tennistrofeet over kan vi sjå på som del av ei lenger energikjede. Kjerneenergi i Sola gjekk over til strålingsenergi i sollys. Den energien vart overført til grøne planter der fotosyntesen omforma den til kjemisk energi i sukker. Tennisspelaren åt sukkeret og energien vart frigjort i celleanding og overført til musklane. Der gjekk energien over til bevegelsesenergi, først i armane og så i trofeet som vart løfta slik at energien gradvis gjekk over til potensiell energi. Da trofeet datt ned, gjekk den potensielle energien gradvis over til kinetisk energi. Trofeet trefte bakken og energien gjekk over til termisk energi i både trofeet, bakken og lufta. Dei fleste energikjeder ender med termisk energi. For kvart ledd i energikjeda går den samla energikvaliteten ned. Ei energikjede vil ofte vere del av eit nettverk av energikjeder, eit energinett. Energien tennisspelaren løfta trofeet med, kom sikkert frå fleire ulike matvarer. Kanskje hadde ho drukke kakao med både mjølk og sukker. Energien i mjølka er da ledd i ei energikjede som også går innom ei ku og fôret kua har ete. Tennisspelaren hadde også akkurat spelt kamp der energi frå mat gjekk over i musklane og vart overført til både rekkerten, ballen og underlaget. Slik dannar mange energikjeder eit stort nett, der alle trådar i nedre kant av nettet ender i termisk energi. Energikjelder Energikjelder inneheld energi som kan gjerast om til ei form som er nyttig for menneska, men energien oppstår ikkje i energikjelda. Ein innsjø på fjellet inneheld potensiell energi som kan gjerast om til elektrisk energi i eit vassenergiverk. Da er vatnet i innsjøen ei energikjelde. Ei solcelle gjer strålingsenergi frå energikjelda Sola om til elektrisk energi. Fossilt drivstoff som olje, kol og gass er energikjelder som kan gjerast om til både elektrisk energi i energiverk, kinetisk energi i kjøretøy og termisk energi i til dømes ein grill. Vi seier at energikjelder er fornybare når dei er del av dei raske krinsløpa i naturen og difor ikkje kan gå tomme i eit menneskeleg tidsperspektiv. Vind- og vassenergi er døme på energikjelder som heile tida blir fornya på grunn av strålingsenergi frå Sola. Solenergien varmar opp luft og lagar vind, og den får vatn til å fordampe og regne ned att i innsjøar høgare over havet. Vi tenkjer også på Sola i seg sjølv som ei fornybar energikjelde, som kan drive solceller og solfangarar. Sola vil gå tom for energi om nokre milliardar år, men i eit menneskeleg tidsperspektiv kan ho likevel reknast som ei fornybar energikjelde. Det er også Sola som er opphavet til energien i mat og anna organisk materiale, og som på den måten driv livet på Jorda. Vi seier at energikjelder er ikkje-fornybare når dei er del av dei langsame krinsløpa i naturen og difor kan gå tomme i eit menneskeleg tidsperspektiv. Fossilt brensel som olje, kol og gass er ikkje-fornybare energikjelder. Dei består av organisk materiale som i si tid vart bygd opp av energi frå Sola, men det tok millionar av år for dei å bli danna og det vil ta like lang tid å få danna nye fossile energikjelder. Brenselet som blir bruka i kjernekraftverk er også ikkje-fornybart, fordi det består av atomkjernar av enkelte grunnstoff som ikkje blir danna på nytt på Jorda. Kjernebrensel er av dei få energikjeldene som ikkje har sitt opphav i Sola, men i ekstreme astronomiske hendingar der stjerner eksploderer eller kolliderer. Energiberarar Ein energiberar er noko som kan lagre energi slik at den kan brukast seinare eller på ein annan plass. Eit batteri er ein velkjend energiberar. Vi kan bruke elektrisk energi til å lade opp ein batteripakke før vi fer på tur, og så lade telefonen med batteripakken når vi er på fjellet utan tilgang til straumnettet. Hydrogen kan også vera ein energiberar. Viss vi brukar elektrisk energi til å skilje hydrogenet frå oksygenet i vatn (ved elektrolyse), får vi lagra energi i hydrogenet. Hydrogenet kan så brukast som drivstoff der energien blir frigjort når og der det trengs. Elektrisk energi produsert i vass-, vind- eller solenergiverk kan ikkje lagrast som den er, men må brukast med ein gong. Det er difor viktig med energiberarar som kan få tilført elektrisk energi slik at energien kan lagrast og flyttast. Det finns energiverk der overskotsenergi blir bruka til å løfte opp store, tunge betongblokker. Energien blir da lagra som potensiell energi og kan hentast ut att ved å senke ned betongen og la den bevegelsen drive ein generator. Da er betongen ein energiberar. Energi og arbeid I fysikken blir energi definert som evna til å utføre arbeid. Når krefter flyttar på gjenstandar, gjer dei eit arbeid på gjenstanden. Dette arbeidet W er lik produktet av krafta F og strekninga s som gjenstanden blir flytta i krafta si retning. Når krafta er konstant, er dette uttrykt som \(W=F\cdot s\). Eininga til kraft er newton (N) og eininga til strekning er meter (m). Eininga til arbeid blir difor Nm (newtonmeter), som er det same som joule (J). Da tennisspelaren i dømet over løfta trofeet, gjorde ho eit arbeid på trofeet som var lik tyngdekrafta på trofeet ganga med høgda ho løfta det. Masse-energi All materie har masse (det har ei vekt), og masse er også ei form for energi. Det er kjernen i den kjende likninga \(E=mc^2\), som Albert Einstein fann i 1905. I likninga er E energi, m er massen til materien og c er lysfarten i vakuum. I prosessar der svært små partiklar endrar samansetning, må energibevaringslova formulerast som bevaring av masse-energi. Det betyr at vi må rekne med energien i massen til partiklane, gitt ved \(E=mc^2\), i tillegg til andre former for energi. Fordi c2 er eit veldig høgt tal, viser likninga over at lite masse kan bli veldig mykje energi. Til dømes svarar 0,6 tusendels gram masse, som er mindre enn massen til ein mygg, til ein energi på 15 000 kWh. Det er om lag det eit gjennomsnittleg norsk hushald brukar i året. Energien som driv dei aller fleste prosessane på Jorda kjem frå at masse inne i Sola går over til store mengder energi. I kjernekraft utnyttar vi at store atomkjernar har større masse enn summen av delane vi får viss vi deler kjernen i mindre bitar. Overskotsmassen blir gjort om til energi i prosessen. Mykje av det vi tenkjer på som masse, er altså kjerneenergi som atoma alt er bygd opp av. Kroppen vår og alt vi omgir oss med er sett saman av berre tre typar elementærpartiklar: Opp-kvarkar og ned-kvarkar dannar atomkjernane, og elektrona svirrar rundt dei. Den samla massen av desse partiklane utgjer berre om lag éin prosent av massen til atoma. Resten er energi. Vi er altså i fundamental forstand 99 prosent energi og éin prosent materie. Les meir i Store norske leksikon arbeid kraft effekt energikilder