3.3 Energioverføringer og energikjeder

Energi på reise

Tenk deg at du sykler til skolen en kald morgen. Du har spist frokost -- kanskje en broedsksive med ost og et glass melk. Maten gir kroppen energi. Musklene dine bruker denne energien til å trå i pedalene, som får kjedet til å gå rundt, som får hjulene til å snurre, som får sykkelen til å bevege seg fremover.

Men vent. Hvor kom energien i brødet fra? Jo, kornet som melet er laget av, vokste på en åker. Planten brukte sollys til å drive fotosyntese og lagre energi som sukker. Så energien i frokosten din kom opprinnelig fra sola.

Dette er et eksempel på en energikjede: en rekke steg der energi overfores fra en form til en annen. Solenergi ble til kjemisk energi i planten, som ble til kjemisk energi i maten, som ble til bevegelsesenergi i musklene dine, som ble til bevegelsesenergi i sykkelen.

I dette kapittelet skal du lære om hvordan energi beveger seg og endrer form -- og hvorfor den aldri noensinne forsvinner.

Energi endrer forkledning

Energi kan overføres på flere måter: gjennom varmeledning (direkte kontakt), stråling (elektromagnetiske bølger, som sollys), bevegelse (når noe dytter på noe annet), elektrisitet (gjennom ledninger) og lyd (lydbølger). I hver overføring endrer energien form.

La oss følge energien til en lyspaaere helt fra begynnelsen:

1. Kjemisk energi i kull ved et kraftverk
2. Kullet brennes: kjemisk energi blir til varmeenergi
3. Varmen koker vann til damp, som driver en turbin: varmeenergi blir til bevegelsesenergi
4. Turbinen driver en generator: bevegelsesenergi blir til elektrisk energi
5. Strømmen sendes gjennom ledninger til huset ditt
6. Lyspaaeren gjor elektrisk energi om til lysenergi og varmeenergi

Legg merke til at energien ble omformet mange ganger på veien. Og legg merke til det siste steget: lyspaaeren gir oss lys (det vi vil ha), men også varme (som vi egentlig ikke ønsker). Denne uoenskede varmen er et energitap.

Energitap betyr ikke at energien forsvinner! Den er der fortsatt, men den har spredd seg som varme i omgivelsene og er ikke lenger nyttig for oss. I en vanlig glodepaaere blir hele 90 % av den elektriske energien til varme og bare 10 % til lys. En LED-paaere er mye bedre: ca. 40 % blir til lys. Det er derfor LED-paaerer sparer så mye strøm.

Virkningsgrad: Hvor flink er maskinen?

Fordi det alltid er energitap, får vi aldri ut like mye nyttig energi som vi putter inn. Virkningsgrad er målet på hvor god en maskin er til å gjore energi om til noe nyttig.

Formelen er enkel:

Virkningsgrad = (Nyttig energi ut / Total energi inn) x 100 %

La oss ta noen eksempler. En bensinbil får 2000 J kjemisk energi fra bensinen. Bare 500 J blir til bevegelse -- resten (1500 J) forsvinner som varme i motoren, eksosen og friksjonen. Virkningsgraden er 500/2000 x 100 % = 25 %. Bare en fjerdedel av bensinen gjor nytte!

En elektrisk bil er mye bedre. Den kan ha en virkningsgrad på 85-90 %, noe som betyr at nesten all strømmen brukes til å flytte bilen. Det er en av grunnene til at elbiler er mer energieffektive.

Du kan også beregne energitap: Energitap = Total energi inn - Nyttig energi ut. For bilen: 2000 J - 500 J = 1500 J tapt som varme.

En spennende måte å vise energiflyt på er et Sankey-diagram. I et slikt diagram tegner du piler der bredden tilsvarer energimengden. En tykk pil viser mye energi, en smal pil viser lite. Du kan raskt se hvor mye som går til nyttig bruk og hvor mye som tapes. For bilen vaar ville pilene vært: en stor pil inn (2000 J), en smal pil til bevegelse (500 J) og en bred pil til varmetap (1500 J).

Ingen maskin kan noensinne oppnå 100 % virkningsgrad. Det vil alltid være litt friksjon, litt varmetap, litt lyd. Men bedre teknologi kan komme nærmere. Det er derfor ny teknologi -- som LED-paaerer, elbiler og varmepumper -- er så viktig for å spare energi.

Energibevaringsloven: Universets jernregel

Nå kommer vi til en av de aller viktigste lovene i fysikk. Den kalles energibevaringsloven, og den sier:

Energi kan verken skapes eller ødelegges -- den kan bare omformes eller overfores.

Dette betyr at den totale mengden energi i universet er konstant. Den har vært den samme siden Big Bang, og den vil forbli den samme for alltid. Energi forsvinner ikke. Den skifter bare form.

Tenk på en ball du slipper fra taket. Før du slipper den, har den potensiell energi (hoeydeenergi). Når den faller, omformes potensiell energi til bevegelsesenergi -- ballen går raskere og raskere. Når den treffer bakken, omformes bevegelsesenergi til lyd (smell!), varme (en bittebitte temperaturoekning i bakken og ballen) og litt deformering av ballen.

Hvis du summerer all energien etter smellet -- lydenergien, varmeenergien, deformeringsenergien -- får du noyaktig like mye som den potensielle energien ballen hadde før den ble sluppet. Ingenting er borte.

Men ballen spretter lavere for hver gang. Betyr det at energi forsvinner? Nei! For hver sprett omformes litt mer bevegelsesenergi til varme og lyd. Denne energien er fortsatt der, men den har spredd seg i omgivelsene og kan ikke samles opp igjen for å få ballen til å sprette høyere. Energien har gaaatt fra en konsentrert form (bevegelse) til en spredd form (varme). Det er forskjellen mellom nyttig energi og energitap.

Energikjeder i din hverdag

La oss avslutte med å se på noen energikjeder du mooeter hver dag.

Mobilen din har en energikjede som er overraskende lang. Det starter med et kraftverk (for eksempel vannkraft i Norge). Potensiell energi i vannet omformes til bevegelsesenergi i turbiner, som omformes til elektrisk energi i generatorer. Strømmen sendes gjennom ledninger (med litt varmetap underveis), går inn i laderen din, og lagres som kjemisk energi i litium-ion-batteriet. Når du bruker mobilen, omformes kjemisk energi tilbake til elektrisk energi, som driver prosessoren (varme), skjermen (lys), hoeytaleren (lyd) og vibrasjonsmotoren (bevegelse). Fra kraftverk til skjermlys har energien skiftet form mange ganger.

En vindturbin har en kortere energikjede. Solenergi varmer opp atmosfaeren ujevnt, noe som skaper vind. Vindens bevegelsesenergi får turbinens blader til å spinne. Spinningen driver en generator som lager elektrisk energi. Fra sol til strøm på bare noen få steg!

Du selv er også en energikjede. Sola ga energi til planter (fotosyntese). Du spiste plantene (eller dyr som spiste planter). Kroppen din bryter ned maten og frigir energi gjennom celleånding. Denne energien bruker du til å bevege deg, tenke, holde kroppstemperaturen stabil -- og til og med til å lese denne teksten akkurat nå.

Overalt der energi brukes, er det en kjede av overforinger. Og ved hvert eneste steg i kjeden tapes litt energi som varme. Det er uunngåelig. Men ved å forstå energikjeder kan vi designe systemer som er mer effektive og kaster bort mindre.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi foelgt energiens reise gjennom ulike systemer.

Energioverfoering skjer når energi flytter seg mellom objekter eller systemer -- gjennom varme, stråling, bevegelse, elektrisitet eller lyd.

En energikjede viser hvordan energi endrer form gjennom flere steg, for eksempel: sol -> plante -> mat -> kropp -> bevegelse. All energi på jorden kan spores tilbake til sola.

Ved hvert steg i en energikjede tapes noe energi som varme til omgivelsene. Dette kalles energitap, men energien er ikke borte -- den har bare spredd seg.

Virkningsgrad maaaler hvor mye av tilført energi som blir til nyttig energi: (Nyttig energi / Total energi) x 100 %. En gloedepaaere har ca. 5 % virkningsgrad, en LED-paaere ca. 40 %, en bensinbil ca. 25 %.

Energibevaringsloven er en av fysikkens viktigste lover: energi kan verken skapes eller ødelegges, den kan bare omformes eller overfores. Total energi før = Total energi etter, alltid.