Energi

Sun_in_X-Ray.png.]] Energi kommer fra græsk εν = "i" og εργον = "arbejde".

Begrebet energi betyder i hverdagssproget både legemlig og åndelig kraft, eller vitalitet. I fysikken er energi en betegnelse for evnen til at udføre arbejde. Den kan f.eks. opgives i den afledte SI-enhed joule (J). En anden lidt ældre energienhed er kalorie.

Elektrisk energi leveret fra elkraftværkerne måles i kilowatt-timer eller kWh (hvor kilo (1000) er et SI-præfiks, watt er en afledt SI-enhed, og h er forkortelsen time fra engelsk hour). Én kWh er 3,6 MJ, da ét wattsekund (Ws) per definition er lig 1 joule.

Det kræver samme energi at hejse en spand vand op af en brønd, hvad enten man hejser spanden hurtigt eller langsomt op. Derfor er effekt somme tider et nyttigt begreb. Effekt er lig energi per tidsenhed og måles i watt.

Energi kan lagres til senere brug. Se f.eks. energilagring.

Kort om Energi

Energi er evnen til at udføre arbejde eller lave varme.
Energi kan ændres fra en form til en anden men aldrig forsvinde.
Energien i universet er konstant.

Definition

Fra et fysisk synspunkt indeholder (eller lagrer) ethvert virkeligt system en mængde, som man kalder energi. Man kan ikke forestille sig energi som en fast enhed, og det er bedst at betragte den som noget, der gør det muligt at lave forudberegninger.

Energi er en måde at beskrive et legemes tilstand på, den såkaldte tilstandsstørrelse. Med tilstand kan der menes både temperatur, form, beliggenhed, bevægelsestilstand osv. Når legemet bliver udsat for et arbejde, stiger dets energi, men udretter legemet selv et arbejde, mindskes dets energi. Her fremkalder arbejdet altså en tilstandsændring f.eks. i form af en temperatur-, form-, placerings- eller hastighedsændring. Energi kan hverken skabes eller fjernes i fysiske processer, men kun omdannes til andre energityper, og arbejde findes ikke i et hvilende system.

Energi er knyttet til beregning af, hvor meget arbejde et fysisk system kan bringes til at udføre. Det kræver energi at arbejde, og derfor begrænser energibeholdningen i et system den mængde arbejde, som systemet kunne tænkes at udføre.

Det bør bemærkes, at det ikke er al energien i et system, der er opbevaret på en måde, så det kan udføre arbejde. Derfor kan det i praksis være en meget mere begrænset mængde energi, der er til rådighed, end den totale mængde i systemet.

Energibegrebet gør det også muligt at lave tværfaglige forudberegninger. Hvis man f.eks. antager, at man er i et lukket system (dvs. i et system, hvor loven om energiens konstans gælder), kan man forudsige hvor hurtigt et hvilende legeme kan bringes til at bevæge sig, hvis en præcis mængde varme blev fuldstændig omdannet til bevægelse i legemet (Altså: hvor langt vil kanonkuglen nå ud, når man bruget 1 kg krudtladning?) Tilsvarende kan man beregne, hvor meget varme der vil komme ud af at ophæve nogle bestemte, kemiske bindinger. (Altså: hvor meget varme vil det give, hvis gæren slår 100 g sukker i stykker?)

Formler

$E = m \cdot g \cdot h$ Beliggenhedsenergi er lig med masse gange tyngdeacceleration gange højde.
$E = U \cdot I \cdot t$ Elektrisk energi er lig med spænding gange strømstyrke gange tid
$E = m \cdot c^2$ Energien i en partikel er lig med masse gange lystets hastighed i 2.
$E = h \cdot \nu$ Kvanteenergi er lig med det Planckske virkningskvant gange frekvensen (betegnes med det græske bogstav "nu")

SI-enheden for både energi og arbejde er joule (J). Den er opkaldt efter James Prescott Joule til ære for hans eksperimenter over forholdet mellem mekanik og varme. I lidt mere simple begreber er 1 joule lig med 1 newton meter, eller udtrykt i grundlæggende SI-enheder: 1 J = 1 kg m²/s². I cgs-enheder er 1 erg = 1 g cm²/s².

Energiformer

Energi kan omdannes til forskellige typer. Man skelner mellem følgende:

Mekanisk energi
- Bevægelsesenergi (Kinetisk energi): Energi, som befinder sig i en genstand, der er i bevægelse (i forhold til et miljø, der bevæger sig anderledes). Bevægelsesenergi er den energiform, som er knyttet til legemers bevægelse. (Altså: hvor meget mere energi er der i en bil, der kører 60 km/t end i en, der overholder trafikbestemmelserne?)
- Beliggenhedsenergi (Potentiel energi): Energien i en genstand, der befinder sig i et potentiale, f.eks. Jordens tyngdefelt. Potentiel energi er energi, der er knyttet til muligheden for at overgå til en lavere energitilstand. En masse, der bliver sluppet over jorden, har en potentiel energi, der skyldes at trækket fra jordens tyngdekraft omsættes til bevægelsesenergi. (Altså: hvor dybt skal vandet være, hvis jeg vil overleve at lave hovedspring fra 3 m højde?)
Elektrisk energi F.eks. en elektron i et elektrisk felt.
Kemisk energi: Egentlig potentiel energi på det atomare plan. Under kemiske reaktioner bliver denne energi forvandlet til andre. Kemisk energi er egentlig en form for potential energi, der hænger sammen med danne eller bride kemiske bindinger. (Altså: hvor meget sukker kan planten danne, når den har opfanget 10 fotoner i bølgelængden 470 nm?)
Strålingsenergi: Potentiel energi på det subatomare plan. Se elektromagnetisk stråling.
Varmeenergi (begrebet termisk energi er bedre, for varme er en processtørrelse, mens energi er en tilstandstørrelse): Bevægelse hos molekyler og atomer i alle stoffer ud over den temperaturgivne, termiske energi. Varme er knyttet til den indre bevægelsesenergi i en masse, ’’men den er ikke en egentlig energiform’’. Varmen har mere med arbejde at gøre, for den er et udtryk for energiskift. Når man siger, at varme repræsenterer et skift henviser præcist til den energi, så er udtrykket forbundet med den tilfældige bevægelse ved faseskift hos atomer og molekyler i en kendt masse. Den konstante mængde af varme og arbejde i et lukket system udtrykkes i termodynamikkens 1. lov. (Altså: når drinken bliver ved med at være 0 grader varm, så længe der er en stump af isterningen tilbage, så skyldes det energiforbruget ved vandmolekylernes overgang fra fast fase til flydende fase).

Masse

Efter Albert Einstein ved man, at masse og energi kan omveksles til hinanden efter den berømte formel:

E = m \cdot c^2

hvor c er lysets hastighed. Ligningen viser, at masse yder et bidrag til energien i et system.

Når man ser bort fra kernespaltning ved fusionskraftværkerne, og de forskellige eksperimenter vedrørende kvantefysik, er masseforskellen i forbindelse med energiforandringer dog langt under målenøjagtigheden.

Energiforbrug i hverdagen

Opvarmning som kemisk energi, der bliver omdannet fra brændstoffets kemiske energi til termisk energi og frigivet fra systemet som varme.
Elektrisk strøm som transporteret elektrisk energi.
Brændstof som bærer af kemisk energi, der bruges til fremdrift efter forvandling til bl.a. bevægelsesenergi.

Energikilder

Fossile energikilder

Kerne energikilder

Kerneenergi

Vedvarende energikilder

Bioenergi er kemisk energi
Geotermisk energi er termisk energi
Tidevandskraft er for det meste potentiel energi
Solenergi er også strålingsenergi
Vandkraft er for det meste potentiel energi
Bølgeenergi er bevægelsesenergi
Vindenergi er bevægelsesenergi

Målestokke

De følgende opstillinger skal hjælpe til at få en fornemmelse af de størrelsesforhold i forbindelse med energi (værdierne er ikke nøjagtige):

10⁰ J = 1 J = 1 Ws = 1Nm : potentiel energi, som bliver oplagret i et stykke chokolade (ca. 100 g), når man løfter det ca. 1 m.
2,5*10⁶ J = 2500 kJ : et menneskes daglige energibehov.
3,6*10⁶ J = 3600 kJ = 3600 kWs = 1kWh : Afregningsenhed for strøm/gas osv.

Se også

Energikilder

Atomkraft - Bølgeenergi - Naturgas - Olie - Råolie - Saltkraft - Solenergi - Solvarme - Tidevandsenergi - Vandenergi - Vindenergi

Energirelateret

Brændselscelle - Distribueret elproduktion - Dynamo - Dæmning - Energilagring - Energioverførsel - Fotosyntese - Solcelle - Elektricitet - Termodynamik - Transducer - Turbine - Vandkraft

Eksterne henvisninger

Robert P Crease, "What does energi really mean?", Physics World, July 2002
- Online version: http://www.physicsweb.org/article/world/15/7/2
http://www.energycamp.dk/

Litteratur

Feynman, Richard. Six Easy Pieces: Essentials of Physics Explained by Its Most Brilliant Teacher. Helix Book. See the chapter "conservation of energi" for Feynman's explanation of what energi is, and how to think about it.
Dieter Heinrich og Manfred Hergt, Munksgaards Økologiatlas ISBN 87-16-107756

Energi | Klassisk mekanik | Økologi

Gourt Home::Gourt :: Energi