Arbete, energi, effekt och verkningsgrad

Arbete: en kraft som flyttar något

Vi vill kunna räkna ut hur mycket energi en kraft ger något när den flyttar det. En kraft som flyttar något uträttar ett arbete. Arbetet är den energi som kraften överför när den flyttar något. Arbetet är kraften gånger vägen: W = F · s. Bara kraften längs rörelsens riktning räknas. Enheten är joule: 1 J = 1 N · 1 m. Golvet här är friktionsfritt, så hela arbetet blir rörelseenergi hos vagnen.

Lägesenergi: Eₚ = m · g · h

För att lyfta något med konstant fart behövs en kraft lika stor som tyngden, m · g. Arbetet blir då m · g · h, där h är lyfthöjden. Den energin finns kvar som lägesenergi. Höjden räknas från en nollnivå som du själv väljer. Dubbla massan eller dubbla höjden ger dubbla lägesenergin. Dra i reglaget och jämför staplarna.

Rörelseenergi: Eₖ = ½ · m · v²

Allt som rör sig har rörelseenergi. Rörelseenergin är hälften av massan gånger farten i kvadrat. Eftersom farten står i kvadrat ger dubbla farten fyra gånger så stor rörelseenergi. Bollen faller och lägesenergin blir rörelseenergi. Ändra höjden och se hur farten vid marken ändras.

Energiprincipen

Energi kan inte skapas eller förstöras, bara omvandlas mellan olika former. Det kallas energiprincipen. Energiformer är till exempel rörelseenergi, lägesenergi, elektrisk energi, kemisk energi, kärnenergi och inre energi. Utan friktion byter skateboardåkaren bara lägesenergi mot rörelseenergi. Summan, den mekaniska energin, är hela tiden densamma. Längst ner har all lägesenergi blivit rörelseenergi.

Friktion ger inre energi

I verkligheten finns friktion och luftmotstånd. Då minskar den mekaniska energin för varje svängning. Energin försvinner inte. Den blir inre energi, alltså rörligare partiklar i hjul, ramp och luft. Summan av lägesenergi, rörelseenergi och inre energi är fortfarande konstant. Slå av och på friktionen och jämför staplarna.

Effekt: P = W / t

Effekt är hur snabbt energi omvandlas, eller hur snabbt ett arbete utförs. Effekten är arbetet delat med tiden, med enheten watt: 1 W = 1 J/s. Samma lyft kräver lika stort arbete, hur lång tid det än tar. Ett snabbare lyft kräver högre effekt. Dra i reglaget och gör lyftet snabbare eller långsammare.

Kilowattimmar på elräkningen

På elräkningen anges energin i kilowattimmar, kWh. En kilowattimme är den energi som en apparat med effekten 1 kW omvandlar på en timme. 1 kWh = 1 000 W · 3 600 s = 3,6 MJ. Energin är effekten gånger tiden. I grafen över energi och tid är lutningen därför effekten. Laddaren i grafen ger 11 kW.

Verkningsgrad: η = Eₙ / Eₜ

Ingen maskin omvandlar all tillförd energi till det vi vill ha. En del blir inre energi i motor, kablar och lager och avges som värme. Verkningsgraden η är den nyttiga energin delad med den tillförda energin. Den är alltid mindre än 1, alltså under 100 %. Dra i reglaget: lägre verkningsgrad kräver mer tillförd energi för samma lyft.

Lagra energi: pumpkraftverk och batterier

El som inte lagras måste produceras i samma stund som den används. Ett pumpkraftverk pumpar upp vatten när det finns gott om el. När el behövs rinner vattnet ner genom en turbin. Varje omvandling har förluster, så man får tillbaka mindre än man stoppade in. I ett batteri lagras energin i stället som kemisk energi, också med förluster.

Energikvalitet och hållbar energianvändning

Energi försvinner aldrig, men den kan bli mindre användbar. Elektrisk och mekanisk energi har hög kvalitet, eftersom de kan omvandlas till nästan alla andra former. Inre energi i ljummen luft har låg kvalitet och är svår att använda. Pendeln visar det: rörelsen blir till slut utspridd inre energi. Fossila bränslen och uran är ändliga resurser, medan sol, vind och vattenkraft är förnybara. Hållbar energianvändning betyder att använda energin effektivt och att väga källornas för- och nackdelar, som utsläpp och avfall.

Sammanfattning

En kraft som flyttar något uträttar ett arbete: W = F · s, där bara kraften längs rörelsen räknas. Arbetet är energi som överförs, i joule. Att lyfta en massa m höjden h kräver arbetet m · g · h, som blir lägesenergi. Rörelseenergin är Eₖ = ½ · m · v², så dubbla farten ger fyra gånger så mycket energi.

Energiprincipen säger att energi inte kan skapas eller förstöras, bara omvandlas. Energiformer är till exempel mekanisk, elektrisk, kemisk, inre energi och kärnenergi. Utan friktion är den mekaniska energin konstant. Med friktion blir en del av den inre energi, men summan av alla former är densamma.

Effekt är energi per tid: P = W / t, i watt. På elräkningen räknas energi i kilowattimmar: 1 kWh = 3,6 MJ. Verkningsgraden är nyttig energi delad med tillförd energi och är alltid under 1. Vid lagring, till exempel i pumpkraftverk och batterier, ger varje omvandling förluster.

Energi kan bli mindre användbar. El och mekanisk energi har hög kvalitet, medan inre energi i ljummet vatten har låg. Sol, vind och vattenkraft är förnybara, medan fossila bränslen och uran är ändliga. Hållbar energianvändning betyder att använda energin effektivt och att väga källornas för- och nackdelar, som utsläpp, avfall och hur länge de räcker.

En skateboardåkare startar från vila 2,0 m upp i en ramp. Utan friktion blir all lägesenergi rörelseenergi: m · g · h = ½ · m · v². Massan tar ut sig, och v = √(2 · 9,82 · 2,0) ≈ 6,3 m/s längst ner.

Källor

1. 7.1 Work: The Scientific Definition (W = F · s, bara kraften längs rörelsen räknas), OpenStax College Physics 2e
2. 7.2 Kinetic Energy and the Work-Energy Theorem (Eₖ = ½ · m · v², arbete ändrar rörelseenergin), OpenStax College Physics 2e
3. 7.3 Gravitational Potential Energy (Eₚ = m · g · h från en vald nollnivå), OpenStax College Physics 2e
4. 7.6 Conservation of Energy (energiprincipen, energiformer, verkningsgrad), OpenStax College Physics 2e
5. 7.7 Power (P = W / t, watt och kilowattimme), OpenStax College Physics 2e
6. 7.9 World Energy Use (förnybara och ändliga energikällor), OpenStax College Physics 2e
7. Arbete (kraften i rörelsens riktning gånger sträckan), Nationalencyklopedin
8. Energiprincipen (energi kan inte skapas eller förstöras, bara omvandlas), Nationalencyklopedin
9. Effekt (överförd energi per tid, 1 W = 1 J/s), Nationalencyklopedin
10. Kilowattimme (1 kWh = 3,6 MJ), Nationalencyklopedin
11. Verkningsgrad (nyttig energi delad med tillförd energi), Nationalencyklopedin
12. Exergi (det största mekaniska arbete som kan fås ut ur energin, ett mått på energins kvalitet), Nationalencyklopedin
13. Pumpkraftverk (vatten pumpas upp när el finns och driver en turbin när el behövs), Nationalencyklopedin
14. Energiprincipen, Wikipedia på svenska
15. Ämnesplan i fysik, Gy25, Skolverket