Energibegrepp och deras relationer, i fysiken och i samhället Seminarium Karlstad 7 okt 2010 Mats Areskoug Nya ämnesplaner i fysik för gy Syfte: förståelse av fysikens betydelse i samhället olika tillämpningar inom till exempel teknik, medicin och hållbar utveckling. kan delta i samhällsdebatten och diskutera etiska frågor och ställningstaganden. Centralt innehåll: Energiresurser och energianvändning för ett hållbart samhälle 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 1 Fysik utan dragningskraft Skolinspektionens kvalitetsgranskning av fysik i grundskolan: Faktakunskaper får stort utrymme på bekostnad av fysik i samhället Läromedlen saknar kopplingar till samhällsutveckling, etiska dilemman, hållbarhetsperspektiv mm Energiformer Energitjänst Energislag Energibärare Energikällor Primär energi Energibegrepp Energi, vad är det Energiformer Grundläggande begrepp Beskriver förändringar Kan ej skapas eller förintas (Energiprincipen) Uppträder i olika energiformer Kinetisk energi Potentiell energi Termisk energi, Värme Strålningsenergi, elektromagnetisk strålning (gamma, UV, ljus, IR, radio etc) Elektrisk energi Kärnenergi Kemisk energi (energi i bränslen, energi i maten, muskelenergi, energi som binds vid fotosyntesen etc.) 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 7 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 11
Arbete och potentiell energi Begrepp med relation till energi Arbete är den mängd energi som överförs av en kraft vid förflyttning Potentiell energi (lägesenergi) tillförs när vi lyfter ett föremål i ett (konservativt) kraftfält. Gravitationsfält Elektriskt fält Kärnkraftsfält 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 14 Kemisk energi är en form av potentiell energi Hur många energiformer finns egentligen? Kinetisk energi Potentiell energi Gravitation Elektrisk Kärn Inre energi Partiklars rörelseenergi och potentiella elektriska energi Elektrisk energi Spänning = elektronernas potentiella elektriska energi Kemisk energi Potentiell elektrisk energi mellan atomer Strålningsenergi Potentiell energi i elektriskt fält Kärnenergi Potentiell energi i starka kärnkraftens fält Källa: G Helldén m.fl: Vägar till naturvetenskapens värld.(2010) 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 16 Massa och energi I vardagsvärlden: Massa och energi bevaras var för sig. Materia kan bära på energi i olika former, men omvandlas ej till energi. I kärnfysiken: Massa kan ses som en energiform, E=mc 2. Effekt, verkningsgrad mm Effekt energiomvandlingshastighet (J/s = W) Energiflöde energitransporthastighet (J/s = W) Intensitet effekttäthet (W/m 2 ) Verkningsgrad andel energi som kommit till nytta (%) Värmefaktor / köldfaktor andel nyttig energi / tillförd köpt energi 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 19
Termodynamikens första lag, energiprincipen Vid varje förändring är totala energin lika stor före som efter Energi kan varken skapas eller förintas, bara omvandlas mellan olika former Ingenting försvinner Energianvändning och energitillförsel Tillförd energi Upplagrad energi Avgiven energi 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 21 Primära energikällor Energi Energitjänster Tillförselperspektiv Användarperspektiv Energitjänst Energitjänst till vad behöver vi energi, vilka tjänster gör energin oss? Mat Lagom temperatur Bra belysning Tillredning o förvaring av mat Resor o transporter Tillverkning av varor Information o kommunikation 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 24 Energibärare Energin är inte materia, men bärs ofta av materia: Bensin (kemisk energi) Fjärrvärmevatten (termisk energi) etc. Andra energibärare: El Solstrålning etc. Energislag Olika sätt att utvinna energi ur naturresurser, t.ex. : vindenergi geotermisk energi kärnenergi fossila bränslen etc. 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 25 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 26
Energitillgångar Energiframtiden, tre vägar Typ av tillgång Lager Exempel Uran, fossila bränslen Fossilenergi Kol Olja Fossilgas Kärnenergi Fission Fusion Fonder Flöden Vattenkraftsdammar, biobränsle Solstrålning, vind-, vatten-, geotermisk energi 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 27 Förnybar (flödande) energi Solenergi Geotermisk energi Gravitation (tidvatten) Solvärme Solel Värme från luft, mark och vatten Vattenenergi o vindenergi Bioenergi 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 28 Från primär energi till energitjänst Primär energi Solenergi Fossilenergi Kärnenergi Energikälla Solstrålning Atmosfär Vattenvågor Hav o sjöar Vattendrag Mark o berggrund Skog o andra grödor Gasfält Oljefält Kolgruvor o dagbrott Urandagbrott Energislag Solvärme Solcells-el Vind-el Våg-el Vatten-el Ytjordvärme Luftvärme Sjövärme Biobränsle Fossilgas Fossilolja Sten- o brunkol Kärnbränsle (uran mm) Energibärare Strålning El Bränslen Värmebärare: Luft Vatten Mark Energitjänst Mat Belysning Termisk komfort o hygien Matberedning o förvaring Information o kommunikation Resor o transporter Varuproduktion Energins ursprung - från Big Bang till vindenergi 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 31 Sveriges elproduktion Elproduktion och elanvändning
Fjärrvärmeproduktion Energiflödesgraf, Sankeygraf Exempel: Ångturbinen Energiflöden Sverige, Sankeygraf Energikvalitet Energislag Energiomvandling Energibärare Energianvändning Kan det fungera? Värmekraftverk En tryckskillnad är nödvändig för att turbinen skall snurra. Alltså måste ångan kylas på frånsidan av turbinen. Men när ångan kyls går en del av energin förlorad till kylvattnet Tryckskillnad genom kylning
Värmemaskinens verkningsgrad Energikvalitet, exergi Carnotverkningsgrad OBS temperaturer i Kelvin η arbete W T1 T = Q T 1 1 2 T = T 1 Olika energiformer går att omvandla till varandra i olika omfattning Energi som kan omvandlas till alla andra former är mer användbar har högre kvalitet Exergi (joule) är den del av energin som går att omvandla till rörelseenergi Kvalitetsfaktorn q (%) anger hur stor del av energin som utgörs av exergi Entropi 20 o C 0 o C Entropi är ett mått på molekylernas oordning Entropiförändringen S när man tillför värmemängden Q är: Q S = T Termodynamikens andra lag Allting sprider sig Värme går från hög till låg temperatur Oordningen ökar Energin blir mindre användbar Exergin minskar Entropin ökar 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 54 SLUT 16 Energi Mats Areskoug, Malmö högskola 58