6.1 Energiformer og energiloven

Det som får alt til å skje

En ball som ruller nedover en bakke, en mobil som lades, kroppen din som beveger seg -- bak alt sammen ligger energi. Uten energi kunne ingenting bevege seg, varmes opp eller lyse. Energi er kanskje det mest grunnleggende begrepet i hele naturvitenskapen.

Men hva er det egentlig? Energi kan defineres som evnen til å utføre arbeid eller overføre varme, og måles i joule (J), oppkalt etter fysikeren James Prescott Joule. Det viktigste å huske er at energi verken kan skapes eller ødelegges -- den kan bare skifte form eller flyttes. I dette kapittelet skal vi bli kjent med de viktigste energiformene og se hvordan energi overføres og omformes i teknologiske systemer.

Energi i bevegelse og i høyden

Den første formen er kinetisk energi -- energien et legeme har fordi det beveger seg. Den regnes ut med formelen

$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$

der $m$ er massen i kilogram og $v$ er farten i meter per sekund. Legg særlig merke til at farten er kvadrert. Det betyr at hvis farten dobles, firedobles energien. Nettopp derfor er fart i trafikken så farlig: en bil i 100 km/h har fire ganger så mye energi som en i 50 km/h. Kinetisk energi finnes overalt -- i vinden som driver vindturbiner, i rennende vann, og til og med i luftmolekylene rundt deg, som vi opplever som temperatur. Kjører en elbil på 1800 kg i 90 km/h, må vi først gjøre farten om til 25 m/s, og da blir energien $\displaystyle \frac{1}{2} \cdot 1800 \cdot 25^2 = 562\,500$ J, altså rundt 563 kJ.

Den andre formen er potensiell energi -- energien et legeme har på grunn av sin høyde i et tyngdefelt. Formelen er

$$E_p = mgh$$

der $g \approx 9{,}81$ m/s² er tyngdeakselerasjonen og $h$ er høyden over et valgt referansepunkt. Jo høyere opp, jo mer potensiell energi. Dette er hele grunnlaget for vannkraft: faller 500 kg vann 120 meter ned, har det en potensiell energi på $500 \cdot 9{,}81 \cdot 120 \approx 589$ kJ, som kan omdannes til strøm når vannet faller.

Varme og de andre energiformene

Den tredje hovedformen er termisk energi, eller varmeenergi -- som egentlig er den samlede kinetiske energien til alle atomene og molekylene i et stoff. Jo høyere temperatur, jo raskere beveger partiklene seg. Hvor mye termisk energi som overføres når temperaturen endres, regnes ut med

$$Q = mc\Delta T$$

der $c$ er den spesifikke varmekapasiteten og $\Delta T$ er temperaturendringen. Vann har en høy varmekapasitet på 4180 J per kilogram og kelvin, som betyr at det kan lagre mye varme -- derfor brukes vann i oppvarmingssystemer.

Men energi finnes i flere former enn disse tre. Elektrisk energi overføres av strøm og er svært nyttig fordi den lett kan bli til lys, varme, bevegelse eller lyd. Kjemisk energi ligger lagret i bindingene mellom atomer, og frigjøres når bensin brenner, et batteri utlades, eller kroppen forbrenner mat. Kjerneenergi er lagret i atomkjernen og kan frigjøres ved spalting eller sammenslåing av kjerner -- det er denne energien som driver solen. Og stråling, eller elektromagnetisk energi, transporteres av bølger som synlig lys, infrarød stråling og røntgenstråling, og er måten solenergien når oss gjennom verdensrommet på. Alle disse formene kan gå over i hverandre, og det er nettopp dette samspillet som gjør energi så allsidig.

Når energi skifter form

Nå kommer vi til selve hjertet i kapittelet: hvordan energi flytter seg og endrer karakter. Vi skiller mellom to ting. Energioverføring er når energi flyttes fra ett system til et annet, som når varme strømmer fra noe varmt til noe kaldt. Energiomforming er når energi endrer form, som når bevegelse blir til strøm i en generator. Energi overføres på tre hovedmåter: gjennom arbeid, der en kraft virker over en strekning; gjennom varmeoverføring, der energi strømmer fra varmt til kaldt; og gjennom stråling, der energi transporteres som elektromagnetiske bølger.

Ofte omformes energi gjennom flere ledd, og da snakker vi om en energikjede. I et kullkraftverk ser den slik ut: kjemisk energi i kullet blir til termisk energi i dampen, som blir til kinetisk energi i turbinen, som blir til elektrisk energi i generatoren. I en vindturbin omformes vindens kinetiske energi direkte til elektrisk energi.

Ta en elbil som lades med solenergi som eksempel. Stråling fra solen treffer solcellepanelet og blir til elektrisk energi. Den elektriske energien lagres som kjemisk energi i batteriet. Når du kjører, sendes den ut som elektrisk energi til motoren, som omdanner den til kinetisk energi -- bilen ruller. I hvert eneste ledd tapes litt energi som varme, for solcellen fanger bare rundt 20 prosent av sollyset, og det er tap i lader, batteri og motor. Likevel er den samlede effektiviteten langt bedre enn for en bil med forbrenningsmotor -- noe vi skal regne nøyere på i neste kapittel.

Oppsummering

Vi har sett at energi er evnen til å utføre arbeid, måles i joule, og verken kan skapes eller ødelegges. Kinetisk energi ($\displaystyle E_k = \frac{1}{2}mv^2$) avhenger av masse og fart, potensiell energi ($E_p = mgh$) av masse og høyde, og termisk energi ($Q = mc\Delta T$) av masse, varmekapasitet og temperaturendring. I tillegg finnes elektrisk, kjemisk, kjerne- og strålingsenergi.

Energi flyttes ved overføring og endrer form ved omforming, gjennom arbeid, varme eller stråling. Energikjeder beskriver hvordan energi går gjennom flere ledd -- som i et kraftverk eller en elbil -- og i hvert ledd tapes alltid litt som varme, selv om den totale energien er bevart.