Energiprinsippet

Energiprinsippeter lova om atenergier konstant og seier at energi ikkje kan skapast eller fjernast. Det er då underforstått at det er eitlukka system,sidan det i opne system kan overførast eller hentast energi frå omgjevnadene. Eit ope system og omgjevnadene representerer derimot eit lukka system, og energiprinsippet gjeld igjen. Det medfører at ei minking av ein type energi alltid fører til ein auke av ein annan type energi. Ein (tenkt) maskin som bryt mot denne naturloven vert gjerne kalla einperpetuum mobileav første slag.

Energiprinsippet vert vanlegvis formulert med ei likning.Termodynamikken si første lovformulerer same forhold som ein verbal påstand.

Ein formell definisjon kan vere:

Varmen som vert ført inn i eit system er lik summen av endringa iindre energiplussarbeidsom vert utretta av systemet.

Energiprinsippet er eitpostulatsom i følgjeNoether-teoremetsvarar til tidsinvariansen til naturlovene.

Historikk

Den greske filosofenThales(635 f.Kr. – 543 f.Kr.) kan kanskje reknast som ein av dei første som såg føre seg at naturen hadde noko som kunne vere konstant. Han var den første ein kjenner til som prøvde å forklare mangfaldet til naturen med noko innebygd i naturen og ikkje utanfor. Men energiprinsippet vart først formulert av den tyskelegenJulius Robert von Mayer(1814-1878) i artikkelen «Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur» i tidsskriftetAnnalen der Chemie und Pharmacie,43,233 (1842). Oppdaginga gjorde han då han var på ei sjøreise og fann ut at nokre pasientar hadde raudareblod,sidan dei konsumerte mindresyre,for å halde høgare kroppstemperatur i kaldare klima. Han innsåg at varme og arbeid begge er variantar av energi, og kunne seinare rekne ut kvantitive forhold når han hadde starta å sette seg inn ifysikken.Året etter,1843,presenterteJames Prescott Joulesine eksperiment der han hadde kome fram til same slutning.

Klassisk mekanikk

I mekanikken tilNewtonerkinetisk energiE_kin= ½mv², dermermassentil lekamen ogvsnøggleiken. Ved ein elastiskkollisjonmellom to eller fleire lekamar er summen av alle kinetiske energiar kontant. I kraftfelt finst det ògpotensiell energi.Nær jordoverflata kan denne stillingsenergien skildrast medE_pot= mgh,dergertyngedakselerasjonenoghhøgda over ei referaneslate. Vedfritt faller summen av rørsleenergi og stillingsenergi konstant. Ein mekaniskpendeloscillerer mellom tilstand med høg potensiell energi og ein tilstand med høg rørsleenergi. Ei anna form for potensiell energi erelastisk energi,som i eifjør.Ei kraftFutførermekanisk arbeidpå ein lekam, skildra som ein energiW = F s,derser strekninga lekamen vert flytta.SI-einingafor energi erjoule=newton·meter=kg·m²/s².Friksjongjer at den mekaniske energien ikkje vert bevart, men går over i varmeenergi.

Energi, varme og arbeid

No seier ein at ulike former for energi er same sak. Ein har vald å definere kraft ut frå at partikler vekselverkar med kvarandre.Kraftoppstår gjennom utbytte av småenergikvanta,til dømes viafotoneller ein variant av foton, kallafonon.Men tidlegare har ein, i alle fall innantermodynamikken,via eksperiment vald å dele inn overføringa av energimengder ikvantitetanevarmeogarbeid.Denne klassifiseringa er teknisk nyttig, sidan han fortel kva som blir varme og kva som kan utnyttast.

Varme svarar til ei uordna energimengd, representert av til dømes gassmolekyl som flyttar seg i tilfeldige retningar. Varme vert overført naturleg frå det varmare mediet til det kaldare. I dei fleste tilfelle vil ein alltid minimere overføringa av varme. Samstundes vil ein maksimere arbeidet, sidan denne energimengda vert omsett til rørsle imotorar,elektrisitetikraftverko.s.v. Arbeid kan seiast å vere ei «ordna energimengd». Energien til systemet er summen av begge.

$E=Q+W$(energiprinsippet)

$dE={\bar {d}}Q+{\bar {d}}W$(energiprinsippet pådifferensialform)

Her representerer dE eiinfinitesimalendring av energien til systemet, framkalt gjennom ei infinitesimal mengd arbeid${\bar {d}}W$og ei infinitesimal varmeoverføring${\bar {d}}Q$.Bruken av${\bar {d}}$vert forklart under.

Eit system som går over frå tilstand 1 til 2 endrar energien sin med$\Delta E=\Delta (Q+W)$.$\Delta E$(og dermed$\Delta (Q+W)$) er heilt klart mogelege å definere – ein fjellklatrar som startar frå bakken og skal opp til toppen aukar energien sin uansett kvar han tar seg opp. Men verken$Q$eller$W$er mogeleg og avgjere aleine; om ein klatrar tar helikoptertransport opp til fjelltoppen, og når den «tradisjonelle» klatraren tar seg opp for hand, har begge endra energien sin med$\Delta E$,men helikopterferda har brukt større mengder.$Q$og$W$er avhengig av korleis tilstandendringa frå tilstand 1 til 2 skjer, og derfor vert dette indikert med${\bar {d}}$.

Symbolkonvensjonen her er (som normalt) at$Q$er varme som vert tilført systemet,$W$er arbeidet som vert utretta i systemet (+ om systemet kan nyttast, - om systemet må ladast opp).

Aspekt

I einomner formålet å forvandle så mykje som mogeleg av energien ibrenslettiltermisk energi,som så vert overført til lufta i omgjevnaden vedkonveksjonnår lufta strøymer forbi den varme overflata, og/eller vedinfraraudelektromagnetisk stråling(varmestråling). Så lite termisk energi som mogeleg bør difor gå opp gjennomskorsteinen,noko som medfører låg temperatur på røykassen. I eiglødelampederimot ynskjer ein at så stor del av den tilførte energien som mogeleg skal omformast til elektromagnetisk stråling medbølgjelengdi det synlege området (synleg ljos).

Sjå òg

• Termodynamikken si første lov

Kjelder

• Denne artikkelen bygger på «Energiprinsippet» fråWikipedia på bokmål,den 30. juni 2009.