Energi

Energi(fragreskενέργεια(energeia), styrke) er evnen til å utføre arbeid, hvorarbeider definert somkraftanvendt gjennom en strekning. Standard vitenskapelig (SI) måleenhet for energi erjoule(J). Energi kan også måles ikalorier(cal) eller kilokalorier (kcal). I sammenheng medelektrisitetbrukes målenheten kilowattimer (kWh).

Energi kan ikke bli borte eller oppstå. Dette er uttrykt vedtermodynamikkens 1. hovedsetning,også omtalt somenergiprinsippet.Men energi kan opptre i forskjellige former så lengetermodynamikkens 2. hovedsetninger oppfylt.

Uttrykkene energi og kraft har ulik betydning i forskjellige fagfelter. I fysikken fokuseres det på å beskrive denne egenskapen kvantitativt ved en definisjon som gjør det mulig å betrakte energi både som en totaltilstand og som utført arbeid av ulike typer.

Energi er en fundamental størrelse for ethvert fysisk system. Det er altså uttrykk for et potensial til å utføre mekanisk arbeid eller til å avgi varme. Tidligere ble energi beskrevet i forhold til enkle observerte effekter. For det er alltid slik at når et objekt har forandret seg, er energi blitt utvekslet med omgivelsene. Da man forstod at det som skaper endringene kanlagresi objekter, ble begrepet energi lansert som potensialet for endring samt størrelsen av endringen.

Slike effekter (både potensielle og realiserte) har mange former. Noen eksempler er

Kinetisk energi(Bevegelsesenergi) for et tog i fart
Potensiell energi(Stillingsenergi) for et lodd som henger over bakken
Termisk energii en varmtvannstank
Kjemisk energii mat
Elektrokjemisk energii batterier

Det å si at energi er endringen eller potensialet for endring, klarer ikke å beskrive alle forekomster av energi i vår fysiske verden.

Energi kan både brukes til å frembringe en observerbar endring, eller til å forhindre en observerbar endring. I siste tilfelle er det klart vanskeligere å observere energioverføringen som har funnet sted. Et tikilogramslodd som er festet på en statuearm ser ikke ut til å kreve noe energi mens det henger der, men hvis du selv står og holder loddet er det tydelig at energi kreves. Du føler loddets tyngde om du beveger loddet opp og ned eller holder det i ro. Loddet får potensiell energi når du løfter det opp i jordens tyngdefelt. Når du slipper loddet gårpotensiell energiover til kinetisk energi (bevegelsesenergi) etter hvert som det får fart i fallet ned mot bakken. En liten andel av den potensielle energien overføres til luftens molekyler (luftmotstand) slik at disse får større gjennomsnittshastighet som igjen representerer (termisk) energiinnhold som i teorien kan måles som en temperaturøkning. I det loddet treffer bakken, går den kinetiske energien over til termisk energi i bakken.

Enheter

SI og tilhørende enheter

SI-enheten for både energi og arbeid erjoule(J), til ære forJames Prescott Jouleog hans eksperimenter rundt mekaniske varmeekvivalenter. 1 joule er det samme som 1newton-metereller 1kg m²s⁻².^[1]

En energienhet som brukes ipartikkelfysikkerelektronvolt(eV). Det er energien som tilføres etelektron,protoneller annen partikkel medelementærladningnår den flytter seg i etelektrisk feltmellom to punkter med spenningsforskjell på 1 V. 1 eV = 1.602176462×10⁻¹⁹J.

Det er verd å merke seg atdreiemoment,som gjerne måles i newton-meter (Nm), har sammedimensjonsom energi. Det er ingen tilfeldighet, for et dreiemoment på 1 Nm anvendt over en vinkel på 1 radian (57,2957... grader) krever en energi på nøyaktig 1 Nm = 1 J.

Andre energienheter

ICGS-systemeter energienhetenerg=g cm²s⁻²som er lik 10⁻⁷J. En annen utdatert metrisk enhet er liter-atmosfære (= 101.325 J).

Britisk/Amerikanske enheter for både energi og arbeid er bådefoot-pound(1.3558 J), ogBritish thermal unit(Btu) som har ulike verdier rundt 1055 J, oghestekraft-timer (2.6845 MJ).

Energienheten som brukes til daglig, spesielt på strømregningen, er kilowattimer (kWh). En kWh er lik 3,6×10⁶J (eller 3600 kJ eller 3,6 MJ).

Kalorier den tradisjonelle energienheten innenfor næringsmidler og er varmeenergien som trengs for å varme opp ett gram vann 1 grad celsius (eller mer korrekt 1 kelvin) ved et trykk på 1atm.Varmemengden avhenger av starttemperaturen på vannet. Derfor varierer kalorienheten litt, men ligger på ca. 4,186 J. Det er vanlig å oppgi matvarers energiinnhold pr. 100 g vare. F.eks. har 100 ghelmelktypisk energiinnholdet 66 kcal = 277 kJ (eller 0,277 MJ/kg).

Energioverføring

Arbeid

Arbeider energi anvendt til å utøve en kraft mot et legeme for å flytte dette. Det betegnes vanligvis med symboletW(forwork) og er gitt ved den matematiske definisjonen

W=\int \mathbf {F} \cdot d\mathbf {s}

Her inngårskalarproduktetav kraftenFutøvd mottyngdepunktettil objektet og en infinitesimal forflytningds,integrert over hele forflytningen.

Arbeid forbruker energi slik at kraft-forflytningen vil stoppe opp når tilgjengelig energi er oppbrukt.

I de enkleste beskrivelser antas dette å være samme størrelse som arbeidet som utøves på det aktuelle objektet. I virkeligheten vil ikke all energi forbrukt (som beskrevet ved likningen) overføres til en gjenvinnbar energiform. F.eks. vil noe av energien gå over til varme som ikke kan gjenvinnes til annen nyttig energi. Energimengden i et system som kan brukes til å utføre et arbeid er altså langt mindre enn den totale energimengden i systemet. Den delen som kan brukes til å utføre arbeid kalleseksergi,mens resten kallesanergi.

Varme

Varmeer energimengden som er knyttet til en temperaturendring eller faseendring (smelting/fordampning og størkning/kondensasjon). I kjemi er en opptatt av varme som forbrukes eller frigjøres gjennom kjemiske reaksjoner. Forholdet mellom varme og energi har en parallell til forholdet mellom arbeid og energi. Varme strømmer fra områder med "høy"temperaturtil områder med "lav" temperatur. Alle objekter har en viss mengde intern energi som er knyttet til de tilfeldige bevegelsene av atomene og molekylene. Denne energien en positivt korrelert til temperaturen i objektet. For hver fase er sammenhengen tilnærmet lineær. Når to objekter kommer i termisk kontakt, vil de utveksle varme helt til temperaturene er like. Mengden av energi overført er mengden av energi utvekslet. Det er vanlig å forveksle varme med intern energi, men det er en viss forskjell: Endringen i intern energi er summen av varme tilført og arbeid utført fra omgivelsene.

Energibevarelse

Energiprinsippeteller som det også kallestermodynamikkens første hovedsetningsier at energien som tilføres et system er lik energien som avgis fra systemet pluss energiendringen i systemet. Denne loven brukes i alle deler av fysikken.Noethers theoremrelaterer energibevarelse til tidsinvariansen av fysiske lover som for eksempel formulert ved bruk avLagrange-mekanikk.

Kinetisk energi

Kinetisk energi(bevegelsesenergi) er den delen av et systems energi som er relatert til bevegelse. For et objekt med hastighetvogbevegelsesmengdeper den gitt ved det matematisk uttrykket

K=\int \mathbf {v} \cdot d\mathbf {p}

I skalarproduktet inngår den infinitesemale forandringendpav bevegelsesmengden, integrert over hele bevegelsen til objektet.^[2]

Ved ikke-relativisiske hastigheter, dvs. hastigheter som er mye lavere ennlyshastigheten,kan man bruke dennewtonske tilnærmelsen

K={\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}mv^{2}

hvormer legemets masse. Ved hastigheter som nærmer seg lysets, må man benytte denrelativistiske formelen

K=mc^{2}(\gamma -1)=\gamma mc^{2}-mc^{2}\;\!

hvor

\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-(v/c)^{2}}}}

avhenger av lyshastightenc= 299 792 458 m/s. Det betyr at totalenergien til legemet erγmc²,mens delenmc²er dets energi når det er i ro. Dette blir også kalt for «hvilemasseenergien» bestemt vedmasseenergiloventilEinstein.

I form av enTaylor-rekkekan den relativistiske formelen skrives:

K={\frac {1}{2}}mv^{2}-{\frac {3}{8}}{\frac {mv^{4}}{c^{2}}}+\cdots

Herav kan en si at ledd av 2. orden og høyere svarer til unøyaktigheten i den newtonske tilnærmelse for kinetisk energi i forhold til den relativistiske formelen.

Potensiell energi

Potensiell energier den delen av et systems energi som er relatert til den romlige fordeling av systemets komponenter og deres interne vekselvirkning. I et tenkt isolert system av to stasjonære objekter med avstandrog som utøver en kraftFpå hverandre, er systemets potensielle energi definert ved

V(\mathbf {r} )=-\int _{\mathbf {r} _{0}}^{\mathbf {r} }\mathbf {F} \cdot d\mathbf {r}

hvor den nederste grensen i integralet er en referanseavstandr₀som den potensielle energien blir målt i forhold til. Vanligvis avhenger kraften av avstanden og integrasjonen tas langs banen som beskriver bevegelsen.^[2]

For etkonservativt potensialer integralet uavhengig av denne banen. Da følger det fra definisjonen at kraften kan finnes direkte fra potensialet ved å beregnegradienten,

\mathbf {F} =-{\boldsymbol {\nabla }}V

Denne relasjonen viser at kraften mellom objektene virker i retning av minskende potensiell energi, og at størrelsen av kraften er proporsjonal med graden av reduksjon av den potensielle energien.

Disse to relasjonene, definisjonen av potensiell energi basert på kraft, og kraftens avhengighet av den potensielle energien, viser at begrepene kraft og potensiell energi er sterkt koplet. Hvis to objekter ikke øver noen kraft på hverandre, så er det ingen potensiell energi mellom dem. Hvis to objekter derimot øver en kraft på hverandre, så vil den potensielle energien oppstå naturlig i systemet som en del av dets totale energi. Siden potensiell energi er relatert til krefter, vil en endring i et systems romlige komponentfordeling enten øke eller minske systemets potensielle energi. Når et system endrer tilstand til lavere potensiell energi, så blir energi av en eller annen form frigjort, f.eks. kinetisk energi.

Gravitasjonsenergi

En masse som slippes et stykke over jordoverflaten har i utgangspunktet en gravitasjonsenergi som er potensiell energi relatert til tyngdekraften fra jorden. Denne energien blir transformert til kinetisk energi ved at tyngdekraften virker på massen, og den potensielle energien reduseres tilsvarende i fallet. I homogent tyngdefelt er potensiell energi gitt vedV=mgh.^[1]

hvormer massen,her høyden (dvs. avstanden over jordoverflaten) oggertyngdeakselerasjonen.

Denne formelen stemmerkunnår vi snakker om et homogent gravitasjonsfelt, der det er lik gravitasjon over alt i dette feltet. Jordas gravitasjonsfelt ved jordoverflaten er tilnærmet homogent, men endrer seg hvis vi beveger oss langt vekk fra overflaten, f.eks. på månen. Da må vi brukeNewtons gravitasjonslovsom gir potensiell energi

V=-G{\frac {Mm}{r}}\,

derMer jordens masse,rer avstand til jordens sentrum,mer gjenstandens massen ogGergravitasjonskonstanten,

G=(6,6742\pm 0,001)\times 10^{-11}{\text{N}}{\text{m}}^{2}{\text{kg}}^{-2}

Ved sterk gravitasjon, f.eks. nær etsort hull,eller ved høye hastigheter gjelder ikke lenger Newtons formler ogGenerell relativitetsteorimå brukes isteden.

Enpendeler en god illustrasjon på energikonvertering og energibevarelse. På sitt høyeste punkt er den kinetiske energien null og den potensielle energien har maksimal verdi. På laveste punkt er den kinetiske energien på sitt maksimum, mens den potensielle energi er null. Maksimalverdiene (totalenergien) av de to energiformene er den samme. Hvis en tenker seg en idealsituasjon hvor det ikke erfriksjonskreftertil stede, vil energien bevares og pendelen vil svinge evig mellom de to energiformene.

Andre eksempler

Energi som tilstandsvariabel

Energi er en karakteristisk egenskap for et systems tilstand. Hvis systemets komponenter endrer sammenstilling som så senere gjenopprettes, så vil systemet ha samme energi som i utgangspunktet. For at dette skal være oppfylt, må alle influerende krefter værekonservative.Det betyr at kreftene er funksjoner av enkeltkomponenters posisjoner og ikke noe annet. Når energi blir borte fra systemet, er dette forårsaket av «ikke-konservative krefter». Typisk eksempel på slike erfriksjon.

Kjemisk energi

Kjemisk energi er en type potensiell energi relatert til den strukturelle sammensettingen av atomer eller molekyler. Denne sammensetningen kan komme avkjemiske bindingeri for eksempel et molekyl. Kjemisk energi i et stoff kan omformes til andre former for energi gjennom enkjemisk reaksjon.For eksempel ved forbrenning blir den kjemiske energien omgjort tilvarme,og det samme er tilfellet med fordøying av mat i biologiske organismer. Grønne planter omformer solenergi til kjemisk energi gjennom en prosessfotosyntese,og elektrisk energi kan omformes til kjemiske energi gjennomelektrokjemiskereaksjoner.^[3]

Begrepetkjemisk potensialblir brukt innenfor kjemien for å indikere potensialet et stoff har for å gjennomgå en kjemisk reaksjon. Denindre energifor et kjemisk stoff består av kinetisk energi knyttet til bevegelsene av molekyler samt potensiell energi knyttet til rotasjoner og vibrasjoner av atomene som molekylene består av. Indre energi er en målbar tilstandsvariabel for et system.

Nukleær potensiell energi

Nukleær, potensiell energi er den potensielle energien tilkjernepartikleri enatomkjerne,der enkelte av partiklene har elektrisk lading. Denne formen for potensiell energi er forskjellig fra de to andre elektriske potensielle energiformene, på den måten at de ladde partiklene er det ekstremt nært hverandre. Kjernepartiklene er knyttet sammen av sterke nukleære krefter. Svake nukleære krefter gir den potensielle energien for visse typer av radioaktiv nedbryting, slik sombetanedbryting.^[4]

Kjernepartikler som protoner og nøytroner blir ikke ødelagt ifisjon- ogfusjonsprosesser,men samlinger av dem har mindre masse enn de individuelle partiklene hver for seg, denne masseforskjellen blir frigitt som varme og stråling i kjernereaksjoner. Energien fra Solen, altsåsolenergi,er et eksempel på denne formen for energiomforming. ISolenfusjonerer hydrogen og rundt 4 millioner tonn av solens masse blir transformert til lys hvert sekund. Lyset stråler ut i verdensrommet i alle retninger.

Se også

Referanser

^^a ^bN.P. Callin, C.W. Tellefsen, S. Haagensen, J. Pålsgård og R. Stadsnes,ERGO Fysikk 1,Aschehoug, Oslo (2007).ISBN 9788203335051.
^^a ^bH.D. Young and R.A. Freedman,University Physics,Addison Wesley, New York (2008).ISBN 978-0-321-50130-1.
^P. Tipler,Physics for Scientists and Engineers,W. H. Freeman, New York (2004).ISBN 0-7167-0809-4.
^J.J. Brehm and W.J. Mullen,Introduction to the Structure of Matter,John Wiley & Sons, New York (1989).ISBN 0-471-61273-1.

Litteratur

Feynman, Richard:Six Easy Pieces: Essentials of Physics Explained by Its Most Brilliant Teacher.Helix Book. Se kapittelet «conservation of energy» for Feynmans forklaring om hva energi er og hvordan vi skal betrakte energi.
Einstein, Albert(1952):Relativity: The Special and the General Theory (Fifteenth Edition).ISBN 0-517-88441-0

Eksterne lenker

(en)Energy– kategori av bilder, video eller lyd påCommons
International Energy Agency,OECD, Paris
Intelligent Energy Executive Agency,EU.
Statistisk sentralbyrå: Energi
Glossary of Energy Terms
National Energy Grid Library– Global Energy Network Institute.

[ergo-1-1] N.P. Callin, C.W. Tellefsen, S. Haagensen, J. Pålsgård og R. Stadsnes,ERGO Fysikk 1,Aschehoug, Oslo (2007).ISBN 9788203335051.

[YF-2] H.D. Young and R.A. Freedman,University Physics,Addison Wesley, New York (2008).ISBN 978-0-321-50130-1.

[Tipler-3] P. Tipler,Physics for Scientists and Engineers,W. H. Freeman, New York (2004).ISBN 0-7167-0809-4.

[Brehm-4] J.J. Brehm and W.J. Mullen,Introduction to the Structure of Matter,John Wiley & Sons, New York (1989).ISBN 0-471-61273-1.

[1]

[2]

[3]

[4]