Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

ENERGIFORMER OG BRUK 1 dråpe historie Definisjoner og begrep. Energienheter Mekanisk arbeid og ekvivalente energiformer Reversible og ikke-reversible prosesser.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "ENERGIFORMER OG BRUK 1 dråpe historie Definisjoner og begrep. Energienheter Mekanisk arbeid og ekvivalente energiformer Reversible og ikke-reversible prosesser."— Utskrift av presentasjonen:

1 ENERGIFORMER OG BRUK 1 dråpe historie Definisjoner og begrep. Energienheter Mekanisk arbeid og ekvivalente energiformer Reversible og ikke-reversible prosesser Termodynamikkens 1. lov – loven om energibevarelse 1.lovs virkningsgrad Mulig forbedring av 1. lovs virkningsgrad Termodynamikkens 2. lov – loven om entropi 2. lovs virkningsgrad Konsekvenser av 2. lov Exergi og Anergi Exergianalyse av energibruk Mulig forbedring av 2. lovs virkningsgrad

2 1 toe = 3,74·10 10 joule 1,185 ·10 10 W t år 1,039·10 4 kWh (1 l olje  10 kWh ) Verdens befolkning Verdens befolkning  6,7 milliarder

3 Termofysikk Classical thermodynamics …… is the only physical theory of universal content concerning which I am convinced that, within the framework of applicability of its basic concepts, will never be overthrown. Albert Einstein A. Einstein et sted ved Oslofjorden

4 ENERGI – HVA ER DET? Før ca – ingen entydig definisjon av energibegrepet. Ordet ”energi ble først brukt av Lord Kelvin i siste halvdel av 1800-tallet. Energi opptrer i to forskjellige former: Mekanisk arbeid = kraft · vei. Enhet: joule = newton·meter. Arbeid er en energiform der kraft og forflytting (“vei”) av alle molekyler er ensrettet, dvs. Bevegelsen er ordnet. Varme er en energiform knyttet til termisk bevegelse. Oprinnelig enhet er kalori. Molekylene beveger seg i tilfeldige retninger, dvs. bevegelsen er kaotisk. James Joule påviste eksperimentelt i 1843 at en gitt arbeidsmengde kan omdannes til en gitt varmemengde. 1 joule = 0,239 kalorier. Disse eksperimentene satte det endelige punktum for caloricteorien. Den rådende teori på tallet var at varme var et stoff, caloric, som alltid var bevart. Det gikk langt inn i det 19 århundre før caloricteorien ble oppgitt. Varme ble bevegelse i stedet for stoff.

5 R. Boyle E. Mariotte A.L. Lavoisier B.Thompson S. Carnot J.R. MayerJ.P. Joule H von Helmholz R.J. ClausiusL. BoltzmannLord Kelvin

6 SI-enheten for energi er joule (J), 1 J = 1 N·m Effekt er joule/sekund = watt (W). ENERGI OG EFFEKT Det finnes et ”utall” av forskjellige enheter for energi. Noen er vist i denne tabellen.

7 Einsteins formel gjelder generelt. Ex.1: Brenning av kull: C + O 2  CO 2,  E = 394 kJ/mol  4,1 eV / molekyl Ex.2: Fisjon av 1 urankjerne:  E  200 MeV, tilsvarer forbrenning av ca. 5·10 7 C atomer – eller 1 g fisjonsprodukter tilsvarer ca. 10 tonn CO 2 Brenning av kull: 1,5·10 18 molekyler / joule – tilsvarer g /joule Fisjon av uran: 3,1·10 10 kjerner / joule – tilsvarer 1,2· g / joule Fra Albert Einsteins spesielle relativitetsteori (1905) følger at E = mc 2. I tall betyr det at 1 kg masse tilsvarer 9,00·10 16 joule – eller at 1 joule tilsvarer 1,11· kg.

8

9 1 watt Solas totale stråling (> watt) Midlere solinnstråling på jorda (Solarkonstanten=1365 W/m 2 ) Vind og bølger totalt All fotosyntese Globale antropogen primær energiproduksjon Norges forbruk av primære energiressurser Stort kjernekraftverk, Jumbojet ved ”takeoff”, Oslo by en kald dag Gjennomsnitt Kari og Ola Mattilførsel / person. Midlere sol/m 2 syd i Norge Bil i drift Effekt i watt

10 Hvor mye energi trengs pr. person ? Jeger / samler …………………………………1 Trebrenning… …………………………………2 Primitivt jordbruk ………………………………6 Middelalderjordbruk …………………………12 19’de århundre industrisamfunn ……… Teknologisk samfunn (eks. USA) …………115

11 120 W inn 20 W 15 W 35 W 40 W 10 W bevegelser + 10 W indre arbeid 100 W utstrålt Effekt= Energi/sekund, enhet watt (W)=joule/s Effektstrøm for et menneske i ro.

12 Skriving Arbeid gange /jogging klatring Effekt (W)

13 0,01 0, Forventet livslengde vs. energibruk pr. capita kW/capita år

14 Energibruk pr. person i et industrialisert land (kW) MatLandbruk, matindustri, transport, tilberedning: 8 Hus og varmeOppvarming, ventilasjon, bygging, vedlikehold10 TransportBygging av transportmidler, veier, drivstoff 5 Kultur, vitenskap, skoler, Fritid, info, media, kulturell akt., religion etc. 7 Sosiale org., forvaltning, politi, brannvern, forsvar 7 Miljø., søppel, rensing, naturreservater etc.10 Energi, produksjon og fordeling13 Til sammen ca.:70

15 Energiforbruk for noen typiske aktiviteter (liter Olje) Flyreise Tur – retur Mallorca pr. person500 All el. til et hus i 1 år – 4 personer km bilreise 20 Halvtime på vannski 8 4 kg vask i vaskemaskin 1 Kjøleskap i 24 timer 0,3 Bad i badekar 0,3 1,5 timers TV (ex. en fotballkamp) 0,06 2 kopper kaffe 0,003 1 elektrisk barbering 0,0003 Ett hus for en familie bil (1 tonn) Liten plastjolle 70 1 kg tomater produsert i drivhus 4 1 avis 0,5 1 liter øl 0,03 Energiinvestering

16 Teknologisk energiinput i produksjon / energi i menneskeføde 100 Det mest energikrevende fiske Tomater i boks ,5 0,2 0,1 Fisk i åpen sjø Kjøtt i boks Fjærfe, kjøtt, frukt, Sukker, beitende fe Melk, kystfiske Margarin, Ris (USA) Intensivt dyrket korn Mais (USA) Intensivt dyrket ris Tropiske landbruksvarer Ris (Asia)

17 De viktigste begrepene: Trykk = kraft/areal, enhet N/m 2 = Pascal. Andre enheter er atm, bar, torr, mm Hg. 1 ”normal” atmosfæres trykk er: 101,325 kPa, 1,01325 bar 760 torr, 760 mmHg 10,33 m H 2 O Volum, enhet m 3 Temperatur, måles i o C eller K (kelvin). 0 o C tilsv. 273,15 K. Molekyl- (eller atom-) masse, def.: 12 C har masse u = 12 1 u = 1,660…. · kg Mol, antall entiteter (molekyl) i antall gram som er numerisk likt molekylmassen u. Eks.: 1 mol 12 C er 12 gram, 1 mol H 2 O er 2 ·1+16 = 18 (avrundet til hele tall) Avogadros tall = antall entiteter i et mol = 6,022214…

18 Termodynamikkens 1. lov – energiloven. Forandring i indre energi =  U Varme Q inn fra omgivelsene til ”systemet” Arbeid W utført av systemet på omgivelsene ” system” I det følgende er ”systemet” en ideell gass i en sylinder med stempel. Sylinderens areal er A. Gassen har trykk p og volum V. Så skyver trykket stemplet ut en liten vei  x. Kraften fra trykket gjør et lite arbeid  W. Veien er så liten at p er konstant: P, V xx For en utvidelse fra volum V 1 til V 2 summeres alle små  W:

19 Energiuttrykk v h x

20 Mekanisk energi En kraft F virker på en masse m i tiden t. Massens hastighet forandres fra v 1 til v 2 : Arbeidet er lik forskjellen i uttrykket ½ mv 2 I løpet av tiden t. ½ mv 2 kalles kinetisk energi, og arbeidet gir en økning av den kinetiske energien. Viktig: Prosessen er reversibel. Arbeid  kinetisk energi. Dette gjelder også dersom kraften F er tyngdekraften eller en elastisk kraft. Eksempel: et legeme på et høgt nivå x over bakken har potensiell energi – gravitasjonskraften kan gjøre et arbeid på dette legemet, og all potensiell energi går over til kinetisk energi. Potensiell energi  kinetisk energi. Vi sier derfor at mekanisk arbeid, kinetisk energi og potensiell energi er ekvivalente, de kan alle omformes reversibelt til hverandre.

21 HØYVERDIG ENERGI Arbeid  kinetisk energi  potensiell energi  Arbeid  Vi har funnet: Alle disse energiformene kan gå over i hverandre. Alle kan beskrives med få (en) parametre, dvs. de representerer høy orden. I teknisk litteratur kalles denne energien exergi eller høyverdig energi Exergi er den delen av energien som kan omvandles til alle andre former for energi. Den energien som ikke kan omvandles til andre former for energi kalles Anergi Anergi kan ikke omvandles til exergi. I den videre analysen bruker vi termodynamikkens 2. lov

22 A good many times I have been present at gatherings of people who by standards of the traditional culture are thought highly educated and who have with considerable gusto been expressing their incredulity at the illiteracy of scientists. Once or twice I have been provoked and have asked the company how many of them could describe the Second Law of Thermodynamics. The response was cold, it was also negative. Yet I was asking something which is about the scientific equivalent of: Have you read a work of Shakespeare’s ? C.P. Snow in ”The Two Cultures and the Scientific Revolution”, Cambridge press C.P. Snow om termodynamikkens 2. Lov:

23 Termodynamikkens 2. lov - entropiloven En prosess er umulig når et system absorberer varme fra et reservoir, omvandler energien til mekanisk arbeid, og ender opp i begynnelsestilstanden, prosessen er irreversibel, eller tidens ”pil” går en vei. I en prosess der et system tilføres en varmeenergi  S ved absolutt temperatur T, øker universets entropi S, der  S=  Q/T. Varme kan ikke gå ”av seg selv” fra et kaldt til et varmt reservoir. I termodyamikken bruker vi absolutt temperaturskala T, der det absolutte nullpunkt er -273,15 o C. Entropi er et mål for uorden. I alle prosesser øker uorden., dvs.  S ≥ 0. I alle prosesser forvandles exergi til anergi. Entropien kan uttrykkes som en funksjon av mikroskopisk uorden. Entropi er derfor knyttet til begrepet informasjon – informasjon er definert på samme måte som entropi. Begrepet er viktig i en rekke fag.

24 Reversibilitet – scene 1

25 - Scene 2

26 - Scene 3 entropi

27 Sykliske varmekraftmaskiner - Carnotmaskinen p V a b c d T1T1 T2T2 Q1Q1 Q2Q2 a – b og c – d er isotermer (T=konst.) B – c og d – a er adiabater (  Q=0) Arbeidet W i ett omløp er lik - Q 2 Q1Q1 Den ”ideelle” maskinen er reversibel, dvs. entropien er bevart:  S = Q 1 /T 1 – Q 2 /T 2 = 0 Virkningsgraden er: 1. Lovs virkningsgrad

28 Det er temperaturforskjeller som kan gi arbeid En isblokk på sydpolen er ingen energiressurs, men en isblokk i Sahara gjør at energi kan overføres fra omgivelsene….

29 Energi fra ressurs til sluttbruk – total virkningsgrad Ressursbase: Lønnsom Ulønnsom Ukjent Kjent Utvinning, primærenergi Transport Transport av sekundær energi Omvandling Fordeling Sluttbruk Nyttig energi Tap Olje Bensin Bevegelse Virkningsgrad (1. lov): (Energi inn-tap)/Energi inn = Nyttig energi/primærenergi

30 2. Lovs virkningsgrad Til en gitt oppgave trengs en gitt minste mengde høyverdig energi (exergi) E m. Til oppgaven bruker vi exergimengden E b, der E b ≥ E m. 2. lovs virkningsgrad er definert som: Eksempel: Boligoppvarming i panelovn. Utetemp. = T u, innetemp. = T i, der T u = 253 K (-20 o C) og T i = 293 K ( + 20 o C): 1. Lovs virkningsgrad:, uavhengig av temperatur Inneluften inneholder exergiandelen 1 – T u / T i = 0,136. Siden all tilført energi er exergi (el) er 2. lovs virkningsgrad lik 0, Lovs virkningsgrad: Dersom både primærressurs og nyttiggjort energi er exergi er

31 Vannet har frosset og avgitt 5400 kcal = 6 kWh 0,3 kW el. inn Bøtte med vann 10 timer i kjøleskapet Bøtte med 60 l vann Energi tilført rommet: Elektrisk energi (exergi), 0,3 kW i 10 timer = 3 kWh Varme tatt fra vannet ved faseovergangen = 6 kWh Varmefaktor = Energi tilført rommet / betalt energi (el.) = (3+6)/3 = 3. Kjøleskap som varmepumpe kjøleskap

32 v E = ½ mv 2 Hvor er energien ? - og kan den igjen bli til ½ m v 2 ? Bevaring av Exergi – mekanisk energi

33

34 HT. GAS COOLED

35 Exergiregnskap for Norge (I.S. Ertesvåg, NTNU)

36 Men vi bruker mer og mer el.! Norge er spesiell – over 70% nå.

37


Laste ned ppt "ENERGIFORMER OG BRUK 1 dråpe historie Definisjoner og begrep. Energienheter Mekanisk arbeid og ekvivalente energiformer Reversible og ikke-reversible prosesser."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google