3.2 Energibevaring og kvalitet

Energi forsvinner aldri

Her er et spørsmål som kanskje virker enkelt, men som rommer noe dypt: Hvis du slipper en ball fra to meters høyde, spretter den opp igjen, men ikke helt opp til to meter. Så spretter den litt lavere. Og litt lavere. Og til slutt ligger den stille på bakken. Hvis energi ikke kan forsvinne, hvor ble det av all energien ballen hadde?

Svaret er at energien ikke forsvant. Den ble omdannet. Hver gang ballen traff bakken, ble noe av bevegeleseenergien til varme og lyd. Du kunne kanskje høre et lite dunk for hvert sprett. Og hvis du kunne måle temperaturen nøyaktig nok, ville du oppdaget at ballen og bakken ble litt, litt varmere. All energien er fortsatt der, bare i en annen form.

Dette er kjernen i energibevaringsprinsippet, som også kalles termodynamikkens første lov: Energi kan ikke skapes eller ødelegges, bare omdannes fra én form til en annen. I dette kapittelet skal vi utforske dette prinsippet grundigere, forstå hva energikvalitet betyr, og lære å beregne virkningsgrad. Du vil aldri se på energi på samme måte igjen.

Energibevaringsprinsippet i praksis

La oss se på noen eksempler som viser energibevaring i aksjon. Tenk deg at du står på toppen av en rutsjebane. Der oppe har du potensiell energi fordi du er høyt over bakken. I det du begynner å gli nedover, omdannes den potensielle energien gradvis til kinetisk energi. Farten øker, og nederst er nesten all potensiell energi blitt til bevegelsesenergi. Men noe av energien ble også til varme på grunn av friksjon mellom kroppen din og rutsjebanen. Legger du sammen kinetisk energi, potensiell energi og varmeenergi, får du nøyaktig det samme som du startet med.

I et lukket system, altså et system der ingen energi kommer inn eller ut, er den totale mengden energi alltid konstant. I praksis er de fleste systemer åpne, noe som betyr at energi kan komme inn eller gå ut. En panne på komfyren er et åpent system fordi varme tilføres fra platen. Men energiprinsippet gjelder fortsatt: All energi som tilføres pannen ender opp som varme i vannet, varme i pannen selv, og varme som stråles ut til luften.

Vi kan følge energien gjennom hele kjeder. Fra solen til planten gjennom fotosyntese, fra planten til maten på tallerkenen, fra maten til kroppen din, og fra kroppen din til sykkelpedalene. I hvert trinn omdannes energien, og i hvert trinn tapes noe som varme. Men det totale regnestykket går alltid opp.

Energikvalitet og entropi

Her kommer en innsikt som kanskje overrasker deg: Selv om energi ikke kan forsvinne, er ikke all energi like nyttig. Vi snakker om energikvalitet.

Høykvalitetsenergi er energi som er konsentrert og lett å omdanne til andre former. Elektrisk energi er et godt eksempel. Den kan enkelt bli lys, bevegelse, varme eller lyd. Kjemisk energi i et batteri eller i bensin er også høykvalitetsenergi. Den er samlet på ett sted og kan utnyttes effektivt.

Lavkvalitetsenergi, derimot, er energi som er spredt og vanskelig å utnytte. Varme ved lav temperatur er det klassiske eksempelet. Tenk på varmen som spres fra en bilmotor til luften rundt. Den energien finnes fortsatt, men den er fordelt over et så stort volum med så lav temperatur at det er praktisk umulig å samle den opp og bruke den til noe nyttig.

I fysikken bruker vi begrepet entropi for å beskrive dette. Høy entropi betyr at energien er spredt og uordnet, altså lav kvalitet. Lav entropi betyr at energien er konsentrert og organisert, altså høy kvalitet. Termodynamikkens andre lov sier at entropien i universet alltid øker. Det betyr at energikvaliteten gradvis synker over tid. Hver gang vi omdanner energi, blir noe av den til lavkvalitets varme som spres til omgivelsene. Det er derfor vi aldri kan lage en maskin med hundre prosent virkningsgrad.

Virkningsgrad og energisparing

Nå som vi forstår at energi alltid tapes som varme, trenger vi et verktøy for å måle hvor effektiv en energiomforming er. Det verktøyet kalles virkningsgrad.

Virkningsgrad beregnes ved å dele nyttig energi ut på total energi inn, og gange med hundre prosent. Formelen er: virkningsgrad er lik nyttig energi ut delt på total energi inn, ganger hundre prosent. Symbolet for virkningsgrad er den greske bokstaven eta. En gammel glødelampe har en virkningsgrad på bare 5 prosent fordi hele 95 prosent av strømmen blir til varme i stedet for lys. En moderne LED-pære derimot kan ha en virkningsgrad på 80 til 90 prosent. Vannkraftverk ligger på 85 til 90 prosent, elektriske motorer på 80 til 95 prosent, mens en bilmotor som går på bensin bare oppnår 25 til 30 prosent.

I en energikjede med flere trinn multipliserer vi virkningsgradene. Hvis et kullkraftverk har fire trinn med virkningsgrad 90, 50, 95 og 92 prosent, blir den totale virkningsgraden bare omtrent 39 prosent. Over 60 prosent av energien i kullet går tapt som varme.

Fordi energiproduksjon ofte forurenser og ressursene er begrensede, er energisparing viktig. Vi kan spare energi ved å bruke mer effektive apparater, som å bytte glødelamper med LED. Vi kan isolere bygninger bedre for å redusere varmetap. Vi kan slå av elektronikk som står på standby. Og vi kan bruke fornybare energikilder som sol, vind og vann. Energimerking fra A til G hjelper oss å velge de mest effektive produktene.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi fordypet oss i energibevaringsprinsippet, som sier at energi aldri kan skapes eller ødelegges, bare omdannes fra én form til en annen. Den totale mengden energi i et lukket system er alltid konstant. Vi har sett dette i praksis gjennom eksempler som sprettende baller, rutsjebaner og energikjeder fra sol til lyspære.

Vi har lært om energikvalitet og forstått at ikke all energi er like nyttig. Høykvalitetsenergi som elektrisk energi og kjemisk energi er konsentrert og lett å utnytte, mens lavkvalitetsenergi som spredt varme er vanskelig å bruke til noe nyttig. Entropi, eller uorden, øker alltid, og det er grunnen til at energikvaliteten synker for hver omforming.

Vi har lært å beregne virkningsgrad, som forteller oss hvor mye av den tilførte energien som blir nyttig. En glødelampe har bare 5 prosent virkningsgrad, mens en LED-pære kan oppnå 80 til 90 prosent. I energikjeder med flere trinn multipliseres virkningsgradene, og den totale effektiviteten kan bli overraskende lav.

Til slutt har vi sett hvorfor energisparing er viktig: Energiproduksjon forurenser, ressurser er begrensede, og ved å velge effektive løsninger kan vi redusere både kostnader og miljøpåvirkning.