Energiprinsippet

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Joules apparat for måling av varmens mekaniske ekvivalent. En fallende vekt festet til en tråd får en åre nedsenket i vann til å rotere.

Energiprinsippet, loven om at energi er konstant; sier at energi ikke kan skapes eller tilintetgjøres. Det er da underforstått at det er et lukket system, ettersom det i åpne system kan overføres eller hentes energi fra omgivelsene. Et åpent system og omgivelsene representerer riktignok et lukket system, og energiprinsippet gjelder igjen. Det innebærer at en minskning av en type energi alltid forårsaker en økning av en annen type energi. En (tenkt) maskin som bryter mot denne naturloven kalles gjerne en perpetuum mobile av første slag.

Energiprinsippet formuleres vanligvis med en ligning. Termodynamikkens første hovedsetning formulerer samme forhold som en verbal påstand.

En formell definisjon kan være:

Varmen som føres inn til et system er lik med summen av endringen i indre energi pluss arbeid som utrettes av systemet.

Energiprinsippet er et postulat som i følge Noethers teorem tilsvarer naturlovenes tidsinvarians.

Historikk[rediger | rediger kilde]

Den greske filosofen Thales (635 f.Kr. – 543 f.Kr.) kan kanskje ses som en av de første som forestilte seg at naturen har noen form for konstanthet. Han var den første vi kjenner til som forsøkte å forklare naturens mangfold med noe innebygd i naturen og ikke utenfor. Men energiprinsippet ble først formulet av den tyske legen Julius Robert von Mayer (1814–1878) i artikkelen «Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur» i tidsskriftet Annalen der Chemie und Pharmacie, 43, 233 (1842). Oppdagelsen gjorde han da han var på en sjøreise, da han fant at noen patienter hadde rødere blod, ettersom de konsumerte mindre syre, for å holde høyere kroppstemperatur i kaldere klima. Han innså at varme og arbeide begge er varianter av energi, og kunne senere beregne kvantitive forhold når han hadde begynt å sette seg inn i fysikken. Året etter, 1843, presenterte James Prescott Joule sine eksperimenter der han hadde kommet frem til samme slutninger.

Klassisk mekanikk[rediger | rediger kilde]

I Newtons mekanikk er kinetisk energi Ekin = ½mv², der m er et legemes masse og v dets hastighet. Ved en elastisk kollisjon mellom to eller flere legemer er summen av alle kinetiske energier kontant. I kraftfelt finnes det også potensiell energi. Nær jordoverflaten kan denne stillingsenergien beskrivas med Epot = mgh, der g er tyngedakselerasjonen og h høyden over en referaneslate. Ved fritt fall er summen av bevegelsesenergi og stillingsenergi konstant. En mekanisk pendel oscillerer mellom tilstand med høy potensiell energi og en tilstand med høy bevegelsesenergi. En annen form for potensiell energi er elastisk energi, som i en fjær. En kraft F utfører mekanisk arbeid på et legeme, betegnet som en energi W = F s, der s er strekningen legemet forflyttes. SI-enheten for energi er joule = newton·meter = kg·m²/s². Friksjon gjør at mekanis energi ikke bevares, men går over i varmeenergi.

Energi, varme og arbeid[rediger | rediger kilde]

Nå sier man at ulike former for energi er samme sak. Man har valgt å definere kraft ut fra at partikler vekselvirker med hverandre. Kraft oppstår gjennom utbytte av små energikvanta, for eksempel via fotoner eller en variant av fotoner, kalt fononer. Men tidligere har man, i hvertfall innen termodynamikken, via eksperimenter valgt å dele inn overføringen av energimengder i kvantitetene varme(t) og arbeid. Denne klassifiseringen er teknisk anvendbar, ettersom den angir hva som blir varme og hva som kan utnyttes.

Varme tilsvarer en uordnet energimengde, representert av for eksempel gassmolekyler som beveger seg i tilfeldige retninger. Varme overføres naturlig fra det varmere mediet til det kaldere. I de fleste tilfeller vil man alltid minimere overføringen av varme. Samtidig vil man maksimere arbeidet, ettersom denne energimengden oversettes til bevegelse i motorer, elektrisitet i kraftverk o.s.v. Arbeid kan sies å være en "ordnet energimengde", vad det nå kan være. Systemets energi er summen av begge.

E = Q + W (energiprinsippet)
dE = \bar{d} Q + \bar{d}W (energiprinsippet på differensialform)

Her representerer dE en infinitesimal forandring av systemets energi, framkalt gjennom en infinitesimal mengde av arbeid \bar{d}W og en infinitesimal varmeoverføring \bar{d}Q. Bruken av \bar{d} forklares nedenfor.

Et system som går over fra tilstand 1 til 2 forandrer sin energi med \Delta E = \Delta (Q + W). \Delta E (og dermed \Delta (Q + W)) er helt klart bestembare – en fjellklatrer som starter fra bakken og skal opp til toppen øker sin energi uansett hvor han tar seg opp. Men hverken Q eller W er alene fullt bestembare; om en klatrer tar helikoptertransport opp til fjelltoppen, og når den "tradisjonelle" klatreren tar seg opp for hånd, har begge forandret sin energi med \Delta E, men helikopterferden har forbrukt større mengder. Q og W er avhengig av hvordan tilstandforandringen fra tilstand 1 til 2 skjer, og derfor indikeres dette med \bar{d}.

Symbolkonvensjonen her er (som normalt) at Q er varme som tilføres systemet, W er arbeidet som utrettes i systemet (+ om systemet kan benyttes, – om systemet må lades opp).

Aspekter[rediger | rediger kilde]

I et varmeaggregat eller kakkelovner er formålet å forvandle så mye som mulig av ilden til varme, istedet for arbeid som går til å løfte opp røyken gjennom skorsteinen. Men derimot en glødelampe skal optimeres motsatt: der vil man minimere Q slik at lampen nytter så mye som mulig av elektrisiteten til å stimulere elektronene, som så sender ut lys.

Se også[rediger | rediger kilde]