Energi.html

Se andlig energi för metafysiska fenomen som benämns "energi".

Doel i Belgien. Väderkvarnen använder luftens rörelseenergi för att sönderdela säd. Kärnkraftverket omvandlar nukleär energi till elektrisk energi.

Energi är en fysikalisk storhet. Energi är något som medför förändring, rörelse, eller någon form av uträttat arbete. Energi kan vara lagrad (potentiell energi eller lägesenergi) eller något som överförs. Ibland avses med energi helt enkelt "utfört arbete".

SI-grundenheten för energi är joule (J), men även enheterna kalori (cal), voltamperesekund (V·A·s), wattimme (W·h) och elektronvolt (eV) används, mest beroende på att energi historiskt har tolkats som olika kvantiteter i olika fysikaliska sammanhang fram till 1900-talet. I SI används definitionen av energi och effekt tillsamman med grundenheten strömstyrka för att definiera övriga elektriska enheter. Genom detta får man ett enhetligt system av enheter där det klart framgår att elektrisk energi och till exempel mekanisk energi inte skiljer sig åt till sin natur.

Den totala energin i ett slutet system bevaras alltid och kan bara överföras från en energiform till en annan och aldrig skapas eller förintas. Detta faktum - "energins oförstörbarhet" - kallas energiprincipen.

redigera Definition

Det finns ingen entydig och sammanfattande definition för energi, utan man arbetar med olika definitioner för olika energiformer. Därför kan man inte säga att den mekaniska energin är den samma som den elektriska energin. I den mekaniska energin innefattas energiformer som rörelseenergi och lägesenergi. Lägesenergin (potentiella energin) för ett objekt mäts relativt en annan energinivå. En vanlig definition på lägesenergin är arbetet som åtgår för att flytta objektet från oändligheten till position x.

(1) : $E(\boldsymbol{x}) = \int_{\infty}^{\boldsymbol{x}}\boldsymbol{F}\,\cdot d\boldsymbol{x}$

Energin för initialpositionen $\boldsymbol{x} = \infty$ kan väljas godtyckligt, men ofta används $E(\infty) = 0$ . Arbetet att flytta objektet från x₁ till x₂ kan då skrivas

(2) : $E(\boldsymbol{x}_{2}) - E(\boldsymbol{x}_{1}) = \int_{\boldsymbol{x}_{1}}^{\boldsymbol{x}_{2}}\boldsymbol{F}\,\cdot d\boldsymbol{x}$ .

En annan vanlig referensnivå är att utgå från x = 0 och E(0) = 0, beroende på fysikaliskt problem, randvillkor, och dylikt.

För den mekaniska energin finns även samband mellan rörelseenergi och lägesenergi vid rörelse i konservativa fält:

(3) : $\boldsymbol{T}(t) - \boldsymbol{T}(0) = \boldsymbol{V}(t) - \boldsymbol{V}(0)$

Där T för rörelseenergin (kinetiska energin) och T för lägesenergin (potentiella energin), och t är tiden.

Ett vanligat specialfall av ovanstående är rörelse i gravitationsfält från ett massivt objekt, på stort avstånd från dettas masscentrum, då man får:

(4) : $\frac{mv^{2}}{2} - \frac{mv_{0}^{2}}{2} = mgh - mgh_{0}$

Där v står för hastigheten och h för höjden. Vi har rörelseenergin på vänstra sidan om likhetstecknet och lägesenergin på den högra.

Att uttrycket ovan gäller här är för att just den mekaniska energin är "bevarad". Detta bevarande av energin kallas för energikonservering och ingår i något som kallas för konserveringslagarna. Konserveringslagen för den mekaniska energin innefattas då av sambandet

(5) : $\boldsymbol{E}_f = \boldsymbol{E}_e$

Detta uttryck följs direkt av att sambandet mellan rörelse och lägesenergin kastas om (se ovan). Vänsterledet innefattar den "totala" energin före transformeringen till en annan energiform och högerledet "totala" energin efter energiomvandlingen.

Energibevarande innebär att ingen energi går "förlorad", utan lika stor mängd energi som vi får i nästa i energiform är precis lika med den energimängd som vi hade i energiformen innan.

Denna energikonservering gäller endast då systemet är konservativt. Vilket innebär att det kan inte inrymmas några icke-konservativa krafter i systemet. En icke-konservativ kraft kan te sig i form av exempelvis friktion, som då medför att en viss del av energin går till "spillo" i form av värmeförluster, alltså bevaras inte energin helt och ovan samband (5) måste korrigeras eller gäller kanske inte alls. Vad detta också egentligen medför mer konkret i formel (4) ovan, skulle kunna vara att exempelvis hastigheten har ändrats, eller läget ändras. vilket inte är så konstigt, då vi har en friktion som motverkar dess rörelse.

redigera Övriga definitioner

Energi beräknas ofta som produkten av en intensiv och extensiv storhet, till exempel kraft och sträcka.

Albert Einstein visade med sin speciella relativitetsteori att materia och energi är ekvivalenta, det vill säga en viss mängd materia svarar mot en viss mängd energi och omvänt. Uttryckt i energienheter motsvarar varje massa en mycket stor mängd energi. Relationen är

$\ E = mc^2$

Exempelvis väger en spänd fjäder något mer än en ospänd, och ett laddat batteri väger något mera än ett oladdat, på grund av att de innehåller mera energi.

redigera Energikvalitet

Energi som fysikaliskt begrepp har inga andra egenskaper än sin förekomst som mängd. I praktiska tillämpningar används dock energibegreppet något annorlunda för olika former av energi som är olika användbara. Till exempel kan nämnas att elektrisk energi har goda förutsättningar att driva en bil längre jämfört med motsvarande mängd värmeenergi. Man brukar uttrycka detta så att elektrisk och mekanisk energi är energi av hög kvalite, som kan omvandlas till andra energislag med små förluster, medan till exempel värmemängden i ett föremål (isynnerhet ett som är föga varmare än omgivningen) har mycket lägre energikvalitet (stora omvandlingsförluster). Det har framkastats idéer om att för energiförsörjningen tala om exergi som en storhet för "användbar energimängd" - med samma enhet som energi - men detta har inte fått någon större spridning.

Sådana frågor behandlas inom termodynamik, där även begreppet entropi spelar en viktig roll.

redigera Energiproduktion

Fysikaliskt är det inte korrekt att tala om energiproduktion, eftersom energin är oförstörbar och bara kan omvandlas mellan olika former. Men man talar ändå om detta när energi omvandlas till en form som är lättare att nyttja för de olika ändamål man använder den till i samhället, såsom att driva industrier eller för uppvärmning. I den politiska debatten är de ekonomiska kostnaderna och konsekvenserna för miljön av olika typer av energianvändning ett ständigt återkommande tema.

Några olika typer av energiproduktion:

redigera Energieffektivisering

Energieffektivisering och energibesparing är andra sätt att få tillgång till mera energi i samhället, och innebär att man försöker förbättra befintlig energiomvandling eller minska energianvändningen. Därmed hushållas bättre med både naturresurser, kapital och miljö. Exempel:

centrala anläggningar för fjärrvärme och fjärrkyla kan vara mer energieffektiva än mindre anläggningar
spillvärme kan tas tillvara vid industrier och t ex användas för elproduktion
kollektivtrafik förbrukar mindre energi än enskild transport

Exempel på energieffektiviseringsåtgärder för byggnader är

sänkning av inomhustemperaturen
tilläggsisolering
byte av fönster
prognosstyrning
installation av värmeväxlare i ventilationssystemet
byte till lysrör och lågenergilampor