Energi Undervisningsopplegg laget av Johan Nygaard for Vitenfabrikken i Sandnes.

Presentasjon om: "Energi Undervisningsopplegg laget av Johan Nygaard for Vitenfabrikken i Sandnes."— Utskrift av presentasjonen:

1 Energi Undervisningsopplegg laget av Johan Nygaard for Vitenfabrikken i Sandnes.

2 Energi-former: Mekanisk energi (kinetisk, potensiell) Elektrisk energi (batteri, kondensator) Termisk indre energi (molekylene og atomene er i stadig bevegelse) Kjemisk energi (olje, planter, mat) Kjerne-energi (E=mc 2 )

3 Energi-transport: Varme (fra varmt til kaldt) Arbeid (W=F·s) Stråling (sollys, γ-stråler) Strømning (elv, elektrisk strøm) Eksplosjon (fisjon, fusjon) Det er under energi-transport at vi får nyttiggjort oss energien.

4 Termodynamikkens 1. lov (energi-loven): Energi kan ikke bli skapt av ingenting, og energi kan heller ikke forsvinne. Energien kan bare skifte form.

5 Når du dreier på rattet utfører du et arbeid, og kroppen gir fra seg energi. Kulene mottar energien. De løftes oppover og får potensiell energi.

6 Når kulene renner nedover går kulenes potensielle energi gradvis over til kinetisk energi, både i kulene og i sykkelhjulene. Hvor blir det av energien til slutt, etter at kulene har kommet helt ned og sykkelhjulene har stanset???

7 T1=350KT2=300K Varmt vann Kaldt vann Indre termisk energi

8 T1=350KT2=300K Varmt vann Kaldt vann Vannmolekylene beveger seg raskt Indre termisk energi

9 T1=350KT2=300K Varmt vann Kaldt vann Vannmolekylene beveger seg raskt Vannmolekylene beveger seg langsomt Indre termisk energi

10 Brownske bevegelser: Her skal det ligge en film som dessverre er utilgjengelig via nettsidene.

11 Røykpartiklene dyttes i bevegelse av luftmolekylene, som er i stadig bevegelse: Her skal det ligge en film som dessverre er utilgjengelig via nettsidene.

12 Q=8400 J Temperaturen jevnes ut når energi transporteres fra varmt til kaldt vann: T1=350KT2=300K

13 Q=8400 J Temperaturen jevnes ut når energi transporteres fra varmt til kaldt vann: Energien er fremdeles til stede i vannet. Men den er nå jevnt fordelt på vannmolekylene. T1=325KT2=325K Det er derfor feil å si at vi bruker opp energien.

14 Termodynamikkens 2. lov (entropi-loven): Varme kan ikke gå av seg selv fra et legeme med lav temperatur til et legeme med høy temperatur. Denne loven sier noe om hvilken retning naturprosessene går i. Loven kan også formuleres slik: Naturprosessene går alltid i en slik retning at systemets entropi øker.

15 Q=8400J T1=350KT2=300K Entropien øker: Q/T2 = 8400/300 J/K = 28 J/K Entropien avtar: Q/T1 = 8400/350 J/K = 24 J/K Netto entropi-økning: 28 J/K – 24 J/K = 4 J/K

16 Før energitransporten hadde vi 8400 J med nyttbar energi. Dette kalles høyverdig energi, eller nyttbar energi, eller energi med høy kvalitet. Etter at energitransporten har funnet sted, er det fortsatt 8400 J til stede i vannet, men nå er energien jevnt fordelt på alle vannmolekylene. Da er energien ikke lenger nyttbar. Energien kalles da lavverdig energi, eller unyttig energi, eller energi med lav kvalitet. I daglig tale sier vi ofte bare «energi» når vi egentlig mener «høyverdig energi» eller «nyttbar energi». Det er altså feil ordbruk å si at vi har brukt opp energien. Energien er fortsatt til stede, men den er ikke lenger nyttbar.

17 For å kunne drive en maskin, må vi ha tilgjengelig høyverdig energi. Det er mens energien er underveis fra høyverdig til lavverdig energi, at energien kan benyttes til å drive en maskin. Det er altså under slik energi-transport at vi kan få en maskin til å utføre nyttig arbeid.

18 T1=350KT2=300K Q2=2400J W = 6000 J Virkningsgrad: f = W/Q1 = 6000/8400 = 71,4% Maskin Q1=8400J Dampmaskin En virkningsgrad på 100% er umulig !

19 Dampmaskin

20 Kjør dampmaskinmodellen i utstillingen. Registrer følgende data: Damptrykk:________ Slaglengde:________ Sylinderdiameter:________ Omdreiningstall:________ Lyspæras spenning:________ Lyspæras strømstyrke:________ Beregn ut fra dette maskinens virkningsgrad.

21 Varmepumpe kan virke som airconditioner:

22 W = 2000 J Varmefaktor: η = Q1/W = 8400/2000 = 4,2 Q1=8400J Q2=6400J Varme-pumpe kan gi oppvarming: Vi tilfører 2000 J elektrisk energi. Inne Ute Kondensor Fordamper

23 Hvordan virker drikkefuglene ?

24 1.Vann fordamper fra den r ø de filten p å utsiden av hodet. 2. Energi til dette hentes fra d iklormetan - dampen inne i hodet. Energitransport-symbol: 3. Dampen inne i hodet avkj ø les da nok til at den kondenseres. V æ sken og dampen inne i fuglen er diklormetan CH 2 Cl 2, som fordamper meget lett, kokepunkt ca 40 o C. Hvordan virker Drikke-fuglen ?

25 Drikke-fuglen 4. Når dampen i hodet kondenseres får vi vakuum inne i hodet. 5. Noe av væsken fra bunnen suges opp i hodet på grunn av undertrykket i hodet. 6. Fuglen blir topp-tung i hodet, og den vipper forover.

26 Drikke-fuglen 7. Når fuglen vipper, kommer nedre ende av hals-røret opp av væsken, og nebbet kommer ned i vannglasset. 8. Væsken i hodet renner tilbake til bunnen, og det stiger ny damp opp i hodet. Energi til å danne denne dampen tas fra lufta i utstillingshallen. 9. Nebbet fuktes utvendig med nytt vann fra vannglasset.

27 Drikke-fuglen 10. Når væsken som var i hodet har runnet tilbake til bunnen, blir bunnen så tung at fuglen retter seg opp igjen. 11. Deretter gjentar hele syklusen seg. Konklusjon: Det er energi fra lufta i utstillingshallen som varmer opp væsken inne i fuglen slik at den fordamper. Det er denne energien som driver fuglen. Lufta i utstillingshallen tappes altså for litt energi, og temperaturen i utstillingshallen synker litt når fuglen står og vipper!

28 I alle prosesser synker energikvaliteten. All energi vil etter hvert omformes til lavverdig termisk energi. Temperaturene i systemet vil jevne seg ut, og alle temperaturforskjeller vil etter hvert forsvinne. Det blir vanskeligere og vanskeligere å finne temperaturforskjeller som vi kan dra nytte av.

29

30 Jordas temperatur Med naturlig drivhuseffekt: Utstrålt effekt er da 390W/m 2 Og vi får vi temperaturen: + 15 Med Stefan-Boltzmanns lov kan vi beregne hvilken temperatur jorda ville hatt, når vi kjenner den utstrålte effekten fra jorda. C O Uten naturlig drivhuseffekt: Utstrålt effekt er da (342-107)W/m 2 =235W/m 2 Og vi får vi temperaturen: - 19 O C

31 Uten den naturlige drivhus-effekten ville det ikke ha kunnet bo mennesker på jorda. Det ville vært for kaldt! Men drivhus-effekten må ikke bli for stor. Det er livsviktig for menneskene på jorda at vi ikke ødelegger den hårfine energi-balansen som vi har i naturen. Vi må IKKE ØKE drivhus-effekten!