ENERGIEN OG VI

einar oterholm 060703

KAP 1 ENERGILÆRE

1.1 Nok energi, men hva med kvaliteten ?

Å snakke om mangel på energi her på jorda er som å sitte alene i en åpen båt ute på havet og snakke om mangel på vann. Er det noe vi har mer enn nok av så er det energi! Energi finnes i så ufattelige store mengder at vi aldri vil kunne greie å bruke alt.

I løpet av et kvarter sender den uuttømmelige energikilden Sola like mye energi ned til Jorda som all den energien vi menneska til sammen bruker i løpet av et helt år!

I en åpen båt langt ute på havet er det meningsløst å snakke om at en mangler vann. Er det noe som det er nok av under båten, så må det være vann. Men de store mengdene hjelper lite for tørsten så lenge kvaliteten til dette vannet er for dårlig.

På tilsvarende måte er det meningsløst å snakke om mangel på energi her på Jorda. Sola sender nemlig daglig enorme energimengder ned på bakken - også her i landet. Men de store energimengdene er til liten hjelp så lenge energikvaliteten er for dårlig.

Ordet energi kommer fra det greske ergon (ergon) som betyr arbeid, livskraft, styrke. Ordet blir

fremdeles brukt for å beskrive livskraftige tilstander. På gresk uttrykker aergon (aergon) det motsatte, depressive tilstander, forresten det samme ordet som er opphavet til grunnstoffet argon, en av de mest inaktive gassene.

Energi har vært det viktigste og mest fruktbare begrepet i fysikk og kjemi siden starten av den moderne vitenskapen. Naturlige fenomener skjer langs retninger hvor den totale energibruken er minimalisert.

Begrepet energi i samfunnet synes å være uavhengig av naturvitenskapens energibegrep. Her handler energi mer om olje, kull, gass, kjerneenergi, vasskraft etc, og i den seinere tid forurensing og klimaendringer, ut fra økonomiske synspunkt. Skal en ha håp om å finne fram til bærekraftig energiveier framover, så må en ta utgangspunkt i naturvitenskapens energibegrep, med dets muligheter og begrensninger.

Dette kapitlet handler om de mest fundamentale egenskapene til naturvitenskapens energibegrep.

1.2 Energiformer

Vi beskriver ting og forhold ved hjelp av ulike egenskaper og størrelser som form, farge, tyngde, temperatur, fart osv. Ikke alle disse egenskapen er like viktige, like fundamentale. En egenskap som alltid på en eller annen måte er til stede, er energi. Egenskapen er abstrakt og derfor vanskelig tilgjengelig. Den blir gjerne definert eller forklart som evne til å utføre arbeid eller noe enklere som evne til å få noe til å skje.

Vi skal her nærme oss viktige innhold begrepet energi ved å ta utgangspunkt i hvordan energien kan opptre, med andre ord energiformer.

Alle legemer som beveger seg (som gutten og sykkelen), har nettopp fordi de beveger seg, bevegelsesenergi.

Alle legemer som står i en viss stilling i forhold til et underlag (som mannen på greina), har stillingsenergi i forhold til underlaget.

Egentlig opptrer energien bare i disse to formene, bevegelsesenergi og stillingsenergi, eller i en kombinasjon av disse. Men for å innse dette må en ha god innsikt i både fysiske og kjemiske teorier på molekyl- eller atomnivå.

Til vårt formål, og i de fleste situasjonene i dagliglivet, er det tilstrekkelig å bruke uttrykk for energiformer som er tilpasset de problemstillingene og prosessene vi arbeider med. Slike aktuelle energiformer kan være:

elektrisk energi - energiform som har med elektrisitet å gjøre

mekanisk energi - bevegelsesenergi og stillingsenergi

rotasjonsenergi - bevegelsesenergi i noe som roterer

termisk energi - energiform som har med temperaturen å gjøre

indre energi - energiform som har med temperaturen å gjøre

varmeenergi - energiform som har med temperaturen å gjøre

kjemisk energi - energi som blir omsatt i en kjemisk prosess

matenergi - kjemisk energi i matvarer som kan utnyttes i menneskekroppen

bremseenergi - energi som skal til for å stanse eller bremse ned en bevegelse

solenergi - energi på eller fra sola

vindenergi - bevegelsesenergi til lufta når den beveger seg (vind)

muskelenergi - energi som frigjøres når mennesker eller dyr bruker musklene

bioenergi - energi som frigjøres når biobrensel forbrenner

kjerneenergi - energi som er involvert i reaksjoner i atomkjernene

strålingsenergi - energi i elektromagnetiske stråler (lys)

1.3 Når energi skifter form skjer det endringer

De fleste har en slags intuitiv forståelse av hva de fleste energiformene innebærer, og vi bruker de derfor til å forklare den kanskje den viktigste egenskapen til energi, nemlig:

Når energi skifter form skjer det endringer.

Dette utsagnet gjelder alltid. Det betyr at vi overhode ikke tenke oss at endringer kan skje uten at energi går over fra en form til en annen. Ja, til og med når vi bare tenker, skifter energi former.

I figurene ovenfor vil både gutten på sykkelen og mannen på greina merke endringer når henholdsvis bevegelsesenergien og stillingsenergien går over til andre energiformer. Jfr. påstanden om at det ikke er farten men bråstoppene som dreper.

1.4 Energi og effekt

Energi og effekt er to begreper som ofte bli blandet sammen, noe vi slett ikke bør gjøre.

En måte som kan være til hjelp med å holde de to begrepene fra hverandre, er å sammenlikne effekt med fart og energi med strekning (veg).

Mens fart er et mål for hvor raskt en flytter seg over en viss strekning, er effekt et mål for hvor raskt energi omformes eller brukes.

fart = strekning / tid

effekt = energiomforming / tid

Sammenhengene kan omformes til

strekning = fart x tid

energiomforming = effekt x tid

1.5 Den første energilova

Fysikere som arbeidet med energispørsmål, kom etter hvert fram til to energilover. Disse to energilovene er seinere blitt sett på som så fundamentale at de er blitt kalt hovedsetninger.
Vi finner dem oftest omtalt som hovedsetningene i varmelæra eller termodynamikkens hovedsetninger. De er også omtalt som energiprinsippet (den første hovedsetningen) og entropisetningen (den andre hovedsetningen). Vi føyer til kvantitetssetningen (den første) og kvalitetssetningen (den andre), og skal etter hvert forklare hvorfor.

Først et eksempel:

Vi utfører et arbeid når vi snurrer opp strikken i en strikkmotor. En del av det arbeidet vi utfører, blir til stillingsenergi i strikken. Når vi slipper stengslet, går stillingsenergi i strikken over til bevegelsesenergi i drivreima.
Bevegelsesenergien i drivreima blir overført til rotasjonsenergi i akslingen i dynamoen. Til akslingen er det festet magneter som nå roterer mellom spoler inne i dynamoen og overføre energien til elektrisk energi i spolene. Elektrisk energi blir nå overført gjennom kablene til glødelampa. Her blir den omformet i glødelampa til lysenergi og deretter omformet til økning av den indre energien omkring lyspæra.

Vi ser her at energien går fra en energiform til en annen som fra ett ledd til et annet i en lang kjede. et

Et nytt eksempel:

Vi steiker brød og vil finne ut hvor energien kommer fra.

For å steike brødet utnytter vi noe av den indre energien i steikeovnen. Deler av denne indre energien kommer fra den elektriske energien som blir laget i et energiverk, her i landet ensbetydende med et vannkraftverk. For å lage den elektriske energien, utnyttes bevegelsesenergien som finnes i vannet i bunnen av en rørgate. Bevegelsesenergien var tidligere stillingsenergi i vannet på toppen av rørgata. Slik kan vi forsette og ender f.eks. inne i Sola.

Når vi kan sette opp slike energikjeder som det heter, kommer det av at energien har en viktig egenskap som er uttrykt i den første energilova:

"Energi kan ikke gå til grunne eller oppstå av seg selv."

Andre måter å uttrykke lova på er:

"Energi kan bare skifte form og sted" eller "Energimengden i universet er konstant".

Den første energilova sier noe om energimengder, om hvor mye energi, hvilke energikvanta som finnes.

Vi bygger på denne lova når vi arbeider med størrelser som varmekapasitet og ulike energienheter, kort sagt forhold som gjør at vi kan rekne ut hvor mye energi som finnes. Vi kan finne ut hvor mye energi vi disponerer i form av olje, kull, elektrisitet, solenergi, maten osv., med andre ord finne et tall, kvantifisere, hvor mye energi som finnes.

Denne kvantitetslova forteller oss også at energien ikke forsvinner; den bare omformes til andre energiformer.

Det er den første energilova som ligger til grunn når vi kan sette opp ulike former for energiregnskap, energibalanser eller energiflytdiagram.

Dersom denne energiloven fortalte hele sannheten om energi, ville den også kunne gi oss denne enkle løsningen på energimangelen i framtida: Resirkuler energien! Bare sørg for å omforme energien til en slik form som vi til enhver tid har bruk for !

Det viser seg nok at det er like umulig å resirkulere energien som det er å drive et vasshjul på den måten som er antydet på figuren til venstre. Vi må nok lete etter andre løsninger.

Fysisk sett kommer det av at kvantitetssetninga ikke omhandler hvordan eller hvilke retninger som energien kan omformes. Skal bildet bli komplett, må vi også ha med dette - og det er det den andre energilova handler om.

Men først skal vi innom et annet viktig begrep, nemlig energikvalitet.

1.6 Energikvalitet

Begrepene energikvalitet, høyverdig og lågverdig energi dukker stadig oftere opp i energidebatten. Hva forstår en med disse begrepene?

Vi prøver oss med et eksempel:

Figuren til venstre skal forestille en bensinmotor. Noe av den kjemiske energien i bensinen vi tilfører motoren, blir omformet til bevegelsesenergi som vi utnytter når f.eks. bilen kjører. Vi kan kalle denne energien nyttbar energi, arbeid eller exergi. Men det er slett ikke all kjemisk energien i bensinen som blir til bevegelsesenergi. For å få motoren til å gå skikkelig, har den til og med innebygget en del som har til oppgave å fjerne noe av energien som er omformet fra energien i bensinen, ja faktisk storparten av energien fra bensinen også, nemlig kjølesystemet. Denne energidelen kan vi kalle ikke nyttbar energi eller anergi.

Den første energilova brukt på bensinmotoren, sier at mengden energi som tilføres motoren er akkurat like stor som mengden av energi som går ut fra motoren. Vi er interessert i at den nyttbare energien er størst mulig. Denne nyttbare energien sier vi har høyere kvalitet enn den ikke nyttbare energien som blir fjernet gjennom kjølesystemet.

Eksemplet viser hva som skjer når energi går over fra en form til en annen, nemlig at noe av energien kan utnyttes og noe ikke. Hvor mye som kan utnyttes vil variere fra tilfelle til tilfelle. Ikke alle energiformene er like velegnet til å omformes til nyttbar energi i form av mekanisk energi (arbeid), men noe mekanisk energi kan en få ut av alle energiformene. Energikvaliteten til en energiform blir bestemt av stor del av energien som kan omformes til mekanisk energi (arbeid).

Vi deler gjerne energiformene inn i tre kvaliteter på denne måten:

Ekstra prima energi:

- mekanisk energi (bevegelsesenergi og stillingsenergi)

- elektrisk energi

Prima energi:

- strålingsenergi

- kjemisk energi

- høgtermisk energi (temperatur godt over 100 ºC)

Sekunda energi

- låg-termisk energi (temperatur ned mot omgivelsene)

Hovedprinsippet bak denne inndelingen er at energi av hvis energiforma A lettare kan omformes til energiform B enn omvendt, så har energi energiforma A høyere kvalitet enn energiforma B. Sjølsagt kan prima energi brukes til å produsere ekstra prima energi, som i varmekraftverk, men det fører alltid til tap av energi (tap av varmeenergi).

1.7 Den andre energilova

Den andre energilova handler om hvilke retninger som er mulig for de ulike prosessene i naturen.

Når vi ser et video- eller filmopptak av et stup, lengdehopp eller 100 m løp kjørt bakover, reagerer vi og oppfatter hendelsene (prosessene) tydelig som umulige.

Mange har opplevd at en teskje sukker raskt har oppløst seg og spredd seg utover i væsken, men ingen har opplevd at sukkeret i søt te plutselig har krystallisert seg i bunnen av en koppen.

Sjølv om vi noen ganger skulle ønske at tiden sto stille, eller til og med kunne gå bakover, så gjør den ikke det - tiden går bare en veg og bestemmer retningen til hendelsene eller prosessene.

Eksemplet med bensinmotoren viser at når energi omformes, så kan vi dele den i to deler, en del som nyttbar og en del som ikke nyttbar energi. Vi har også konstatert at ulike energiformer har sin bestemte plass på en energikvalitetsskala.

To formuleringer av den andre energilova som kan være nyttig for vårt formål:

Når energi omformes blir den totalt sett mindre nyttbar.

Totalt sett blir energikvaliteten lågere ved hver energiomforming.

En mer vanlig formulering av denne andre energilova er:

Det er ikke mulig å lage en maskin som kan omforme en bestemt mengde varmeenergi til

mekanisk energi.

En viktig konsekvens av denne formuleringen er at varmemaskiner, som dampturbiner og forbrenningsmotorer, alltid vil produsere spillvarme. Dette betyr igjen at de alltid vil ha en virkningsgrad som er mindre enn 100 %.

Siden den andre energilova handler om energikvalitet, kan den også kalles for kvalitetslova.

1.8 Energisparing

I energidebatten hører vi stadig om at for å få til en bærekraftig framtid må vi bruke energien på en annen måte og vi må spare på energien. Men hva menes med energisparing ?

1.8.1 Energisparing etter den første energilova

Den første energilova, kvantitetslova, forteller hvor mye energi vi disponerer i form av olje, kull, uran, solenergi osv. Vi har funnet ut at noen av disse lagrene er små, og vi må spare på dem. Derfor setter vi i gang energisparetiltak for å få energilagrene til å vare lenger.

Noen eksempel:

Vi varmer opp et hus med olje. La oss si at en oljetank rekker til oppvarming i 30 døgn. Vi vil spare på oljen, og senker romtemperaturen med 1 ºC. Den samme tanken vil nå inneholde nok olje til 32 døgns oppvarming.

Et annet godt eksempel på slik energisparing er å bytte ut en vanlig dusj med en turbulensdusj. Med denne dusjen reduserer vi vannforbruket til det halve og med det energiutgiftene til oppvarming av vann - uten at dusjkomforten blir redusert.

Akershus Energiverks ga i sin tid ut en energibrosjyre med gode råd for energisparing etter den første energilova:

Energisparing etter den første energilova går ut på at vi bruker energien stort sett på samme måte som før, bare med den forskjellen at vi i løpet av en viss tid bruker mindre energi enn vi gjorde før.

Sagt på en annen måte: Vi bruker ikke energien så fort som før. Det er vel verdt å merke seg at vi ikke er opptatt av hva slags energiform vi bruker til de ulike oppgavene våre.

En slagordforma formulering av energisparing etter den første energilova kan være:

Sløs ikke med energimengdene.

1.8.2 Energisparing etter den andre energilova

Først en oppgave:

Du skal varme opp boliger og kan gjøre det på en av desse måtene:

1. En bestemt gassmengde brenner i en gassbrenner inne i boligen og varmer den opp.
2. Samme gassmengde brenner og produserer damp som driver en turbin, som så driver en generator som så produserer elektrisk energi (varmekraftverk). Denne elektriske energien bruker du i en varmeovn og varmer opp boligen.

Kan det være noen tvil om hvilket alternativ utnytter energien mest effektivt ?

La oss ta et eksempel fra en modell av et svært enkelt samfunn:

Vi tenker oss et samfunn som trenger fire enheter elektrisk energi til motorer, lys og tekniske apparater, seks enheter høgtermisk energi til industri og ti enheter lågtermisk energi til oppvarming av boliger. Et samfunn med rikelig tilgang på billig elektrisk energi vil vi ha behov for 20 enheter elektrisk energi.

Samfunnet tar energisparing alvorlig. De setter noe ned temperaturen i oppholdsrom og mye i rom som ikke er i bruk, slik at behovet for lågtermisk energi reduseres fra ti til sju enheter. Videre greier de på ulike måter å unngå energisløsing i industrien slik at behovet reduseres fra seks til fire enheter Til slutt greier de å utnytte motorer og andre elektriske apparater mer effektivt slik at de her reduserer behovet fra fire til tre enheter. Samfunnet har nå spart energi etter første hovedsetning, og vil ha behov for bare 14 enheter elektrisk energi, en betydelig gevinst.

I dette tenkte samfunnet går de enda et skritt videre. Energien fra industrien, motorene og de elektriske apparatene går etter bruk over til lågverdige former, til lågtermisk energi. Men denne energiforma kan de bruke til å varme opp boligene. Når det gjøres, er det bare behov for sju enheter elektrisk energi!

Det siste eksemplet er nok svært teoretisk, men det viser tydelig prinsippet for energisparing etter den andre energilova, nemlig at en utnytter energikvaliteten så godt som mulig.

For å utnytte energien best mulig, må vi først klargjøre hva vi skal bruke energien til (oppvarming, lys, trekk-kraft). Når dette er klart, må vi forsøke å få tak i en energikilde som kan løse oppgaven vår med minst mulig tap. Vi bør ikke bruke energi av høg kvalitet der vi kan greie oss med energi av låg kvalitet.

Vi må planlegge energibruken vår slik at vi først finner ut hvilken energikvalitet vi trenger for å få oppgaven utført, deretter velger vi den energiforma som har tilstrekkelig høg kvalitet. Kort formulert blir derfor energisparing etter den andre energilova:

Sløs ikke med energikvaliteten.

Varmepumper er kanskje det beste eksemplet på teknologi som kan sette oss i stand til på en enkel og økonomisk måte, å spare energi etter den andre energilova.

1.8.3 enøk-begrepet

Mens vi ved energisparing har tatt utgangspunkt de naturfaglige sidene ved energibegrepet, så tar en i enøk-begrepet også med både økonomiske og komfortmessige sider ved energibruken. Det behøver slett ikke være noen motsetninger her.

Med enøk-tiltak mener vi stort sett nå

Tiltak for å spare energi og som kan være inntjent i løpet av et par-tre år.

Tiltakene må i tillegg ikke gå ut over komforten.