Välkommen till Resurscentrums frågelåda!

 

Vill du ha ett snabbt svar - sök i databasen: Anpassad Google-sökning
(tips för sökningen).
Använd diskussionsforum om du vill diskutera något.
Senaste frågorna. Veckans fråga.

20 frågor/svar hittade

Elektricitet-Magnetism [20594]

Fråga:
Hej! Jag har gjort en labb i fysik där man skulle bestämma batteriets maximala effekt. Jag mätte resistans och spänning i en metalltråd för att sedan plotta en PI-graf med hjälp av mina mätvärden. Trådens resistans R varierades genom längden. Nedan återges uppmätta värden på effekten P som funktion av strömmen I. Kurvan är en kvadratisk anpassning till punkterna.

Ekvationen till grafen jag får ut blev

P = -0.376I²+ 1,304I + 8,759 x 10 ^-3.

Min fråga är vad de olika koefficienterna står för och varför?
/Albert J, kitas gymnasium, göteborg

Svar:
Hej Josefin/Albert!

Förluster i batteriet brukar parametriseras genom att batteriet får en inre resistans Ri, se Inre_resistans och fråga 17476 .

Eftersom den sista termen i ditt uttryck ovan är mycket liten (0.008) kan vi bortse från denna. Dessutom måste ju den utvecklade effekten vid strömmen noll vara noll (kurvan måste gå genom origo). Ditt uttryck reduceras då till

U = -a*I2 + b*I (1)

där a och b är fria parametrar.

Om vi tillämpar Kirchhoffs spänningslag på kretsen (se Kirchhoffs_lagar#Kirchhoffs_spänningslag ) får vi

EMS = Ri*I + R*I

där EMS är batterispänningen utan belastning (se fråga 17476 ).

Utvecklade effekten i tråden är

P = U*I = R*I*I = (EMS-Ri*I)*I = EMS*I - Ri*I2

dvs

P = -Ri*I2 + EMS*I (2)

Om vi jämför (1) och (2) kan vi identifiera
a med inre resistansen Ri och
b med batterispänningen utan belastning EMS.

Vi får alltså Ri=0.376 Ω och EMS=1.304 V.

För maximal effekt kan vi derivera uttrycket (2):

P´ = -Ri*I*2 + EMS

För maximum skall P´ vara noll:

Imax = EMS/(2*Ri) = 1.304/(2*0.376) = 1.73 A (3)

Denna ström ger alltså maximal effekt i det yttre motståndet. Är detta ett bra val för t.ex. en glödlampa? Enligt (3) blir det yttre motståndet R lika med inre resistansen Ri. Detta betyder att det utvecklas lika mycket effekt i batteriet som i glödlampan (batteriet blir varmt), vilket är slöseri. Man bör alltså välja ett betydligt högre värde på det yttre motståndet.

Verkningsgraden = h = (nyttig effekt)/(total effekt) = R*I2/(R*I2+Ri*I2) =
R/(R+Ri) = 1/(1+Ri/R)

Verkningsgraden ökar alltså med ökande R (minskande I). Vid maximal ström är alltså verkningsgraden 0.5, dvs 50%. Det lämpligaste värdet på R är en kompromiss mellan hög ström och verkningsgrad. R=10*Ri ger t.ex. en verkningsgrad av 1/(1+0.1)= 91%. Idealet är naturligtvis att minska inre resistansen, men denna bestäms av hur batteriet är konstruerat.



/Peter E

Nyckelord: batteri [23]; verkningsgrad [20];

1 http://24volt.eu/kalkylator_inre_resistans_batteri.php

*

Värme [20226]

Fråga:
Vad är spillvärme för något? Hur ska ni värma upp ett hus så att det inte blir dyrt? Är det miljövänligt sätt att få värme ur den källan?
/mary d, jensen, hisings backa

Svar:
Industriell spillvärme, även kallat industriell restvärme, är värme som blir över från industriella processer, till exempel från pappers-, stål- eller kemiindustrier. Spillvärmen kan tillvaratas exempelvis som fjärrvärme utan att mer bränsle behöver tillföras i den ursprungliga processen eller att utsläppen ökar. Är spillvärmens temperaturnivå tillräckligt hög kan den matas direkt ut i fjärrvärmenätet, i annat fall kan temperaturen först höjas med hjälp av värmepumpar. (Industriell_spillvärme )

Spillvärme uppstår i kretsprocesser som t.ex. förvandlar värme till rörelse eftersom verkningsgraden aldrig kan vara 100%, se termodynamikens andra huvudsats i fråga 15733 . Exempel är gas-, olje- och kärnkraftverk. Även en bilmotor ger spillvärme som till en del kan användas för uppvärmning.

Se även fråga 11007 .
/Peter E

Nyckelord: verkningsgrad [20];

*

Energi [19914]

Fråga:
Jag arbetar som vindkraftstekniker. Vi har diskuterat lite på jobbet angående klättring i tornen på stegen som finns där. Min fråga lyder: När jag klättrar 125 m. upp på stegen - hur mycket energi gör jag slut på, och vad motsvarar det i matmängd? Kan man ta en pizza och en öl på kvällen med gott samvete? Jag väger 85 kg. och mina kläder+säkerhetssele 20 kg.

Alltså 125 m. 105 kg. rakt upp. Om det finns en tidsaspekt med också i beräkningen så tar det väl ungefär 4 min. att komma upp. Men då är man rätt anfådd��
/Mikael J, St:Mikaelsskolan, Mora

Svar:
Mikael! Nej, tiden har ingen betydelse för energimängden.

E = F*h = mg*h = (85+20)*10*125 Nm = 131000 J = 131 kJ

1 kilokalori = 4.18400 kJ

E = 131/4.18 = 31 kilokalorier

Det blir en mycket liten pizza det - och ingen öl!

Ovanstående uppskattning är emellertid en alltför förenklad. Som alla motorer har kroppen en verkningsgrad (se fråga 15817 ) som är mindre än 100%. Verkningsgraden hos metabolismen (hur effektivt kroppen omvandlar energin i födan till mekaniskt arbete) är ungefär 20% (se länk 1). Det betyder att vid en lite mer realistisk beräkning pizzan blir lite större: 31/0.2 = 155 kilokalorier.

Anmärkningar

* Det som i dagligt tal betecknas kalori är i själva verket kilokalori. (På färdigrätter ges i dag energiinnehållet ofta både i kilokalorier och joule.)

* En människas dagsbehov är 2000-4000 kilokalorier.

* De 80% som inte blir till mekaniskt arbete blir till värme. Du blir ju varm och svettas när du utför mekaniskt arbete.

* Det behövs c:a 100 J/s bara för att upprätthålla nödvändiga kroppsfunktioner och lagom temperatur (37 grader). På ett dygn krävs alltså 100*3600*24 = 8640 kJ = 8640/4.18 = 2000 kKalorier.
/Peter E

Nyckelord: metabolism [3]; verkningsgrad [20];

1 http://physics.stackexchange.com/questions/46788/how-efficient-is-the-human-body

*

Ljud-Ljus-Vågor [19763]

Fråga:
Hur gör jag för att få fram verkningsgraden på en LED lampa? Hur vet jag vilken energi som är vilken? Hur dtår de i förhållande till varandra? Kan jag få fram verkningsgraden endast genom att veta vilken effekt lampan har?
/Madde N, Dragonskolan, Umeå

Svar:
Hej Madde!

Den verkliga verkningsgraden (Watt strålning ut)/(Watt elektricitet in) är inte lätt att beräkna. Den är inte heller särskilt intressant eftersom belysningen, som ju är det man vill ha, även beror på vilka våglängder som sänds ut eftersom ögats känslighet är olika för olika våglängder.

Ljusutbyte (Luminous_efficacy ) är ett bättre mått: produkten av hur väl en LED konverterar energi (normalt elektrisk energi) till elektromagnetisk strålning och hur vär den utsända strålningen detekteras av det mänskliga ögat.

Eftersom glödlampor är så väl etablerade kan det vara meningsfullt att jämföra med dessa, se fråga 723 . En 60 W glödlampa ger 710 lm, dvs 12 lm/W. En typisk lysdiod (LED) har ungefär 50-100 lm/W. Vi kan räkna med att LED-armaturer kommer att bli mer effektiva (och billigare), och att de kommer att vara minst en faktor 10 mer energieffektiva än vanliga glödlampor.

Ljusutbytet för en LED-lampa varierar mycket framför allt beroende på konstruktion. Normalt vill vi ha vitt ljus för belysning. Detta kan man antingen få genom att blanda ljuset från röda/gröna/blå lysdioder (se fråga 16165 ) eller genom att använda blå lysdioder för att belysa ett fluoriserande ämne som ger vitt ljus (se fråga 12571 ).

Man har även effektförluster om man behöver transformera 230 V till lågspänd likström.

Dessutom är rikningsfördelningen viktig för effektiviteten. Om man specifikt vill belysa en viss yta är det naturligtvis bra om armaturen inte sprider ljuset överallt.
/Peter E

Nyckelord: lysdiod [12]; verkningsgrad [20];

1 http://www.hi-led.eu/wp-content/themes/hiled/pdf/led_energy_efficiency.pdf
2 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/bright.html#c2

*

Värme [19721]

Fråga:
Var hittar men energiinnehåll i metanol, etanol och biodiesel samt eventuell verkningsgrad när man vill använda dessa som bränsle i bilar?
/Annika V, Björnekulla skolan, Åstorp

Svar:
Annika! Energiinnehållet i bränslen finns i tabellen i Heat_of_combustion#Heat_of_combustion_tables eller den svenska (mindre fullständig) Värmevärde#Olika_bränslens_värmevärden . Specifikt för biobränslen finns Energy_content_of_biofuel . Observera att energiinnehållet är ett hypotetiskt begrepp, det beror på exakt vilka slutprodukter man får.

Verkningsgraden för en förbränningsmotor är svårare eftersom den beror på bränsle, konstruktion, kompression och temperaturintervall. Där får du nog ta data från en typisk motor.
/Peter E

Nyckelord: fossila bränslen [13]; verkningsgrad [20];

*

Energi [19400]

Fråga:
Hej! Jag har en fundering angående hur verkningsgraden av en turbin (ångturbin) kan beräknas.
/Elias M, Soltorgsgymnasiet, Borlänge

Svar:
Elias! Det beror på vad du menar med beräknas.

Om du vill beräkna ett teoretiskt värde måste du veta vilken process (cykel) som är aktuell. Se fråga 15817 för den mest effektiva processen. Det finns flera olika typer av gasturbiner, se Gas_turbine .

Om du vill beräkna ett praktiskt värde måste du mäta tillförd energi och utfört arbete.

Energy_conversion_efficiency ger approximativa värden för verkningsgraden för olika apparater. Den högsta verkningsgraden för en gasturbin är c:a 40%.
/Peter E

Nyckelord: verkningsgrad [20];

*

Värme [19200]

Fråga:
Hejsan ! Jag undrar vad som orsakar energiförlusterna då man kokar 1 liter vatten i en järnkastrull, dvs, hur uppkommer energiförlusterna ?
/Zhila H, GTI, angered

Svar:
En del värme går till att värma upp annat än vattnet, t.ex. plattan, kastrullen och omgivningen. Detta betraktas som förluster. Förhållandet mellan värmet som går till att värma vattnet och total tillförd värme (nyttig/total värme) brukar kallas verkningsgrad, se fråga 15817 .
/Peter E

Nyckelord: verkningsgrad [20];

*

Värme [18487]

Fråga:
Frysa vatten med värmepump för uppvärmning
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej. Jag fick en liten fundering. Vi har en elslinga i köksgolvet hemma. Den ger värme av direktverkande el. Nu undrar jag om jag skulle skulle "vinna energi" om jag istället för att använda energin i elslingan, satte in 2 st 10-litershinkar med vatten i frysen. Energin som ligger lagrat i vattnet borde transporteras ut i rummet och jag kan kasta ut isen på gräsmattan. Håller detta resonemang? Tack. /Peter
/Peter N, Skoghall

Svar:
Kul fråga Peter! Det du föreslår är att använda kylskåpet som en värmepump med vatten direkt från kranen som värmereservoir.

En värmepump är en teknisk anordning som överför värme från en kall till en varm plats (Värmepump ).

Enligt termodynamikens andra huvudsats, se fråga 15733 , kan värme bara gå från varmt till kallt. Man kan emellertid komma ifrån detta om man på ett fiffigt sätt utför ett arbete. Detta är vad ett kylskåp gör: med hjälp av energi från en elektrisk motor "pumpas" värme från en kall reservoir (kyl/frys utrymmet) till en varm reservoir (luften bakom kylskåpet). En värmepump är konstruerad precis som ett kylskåp, enda skillnaden är att det är den varma reservoiren som är den intressanta.

Ditt förslag är alltså att använda hinkar med vatten som din kalla reservoir. I normala fall använder en värmepump t.ex. uteluften eller marken i trädgården som kall reservoir.

Vi kan för att definiera storheter rita en schematisk figur på processen, se nedan. Vi har en kall reservoir (blå), en varm reservoir (röd) och en motor som utför arbete. Q är värmemängder och W är den till motorn tillförda (elektriska) energin.

Den optimala processen är vad som kallas Carnot-processen, så vi antar vi har en förlusfri sådan.

Värmefaktorn (COP, Coefficient Of Performance) för en värmepump definieras som

COP(värmepump) = (det vi vill ha)/kostnaden = QH/W

På analogt sätt kan vi definiera kylfaktorn för en kylmaskin

COP(kylmaskin) = (det vi vill ha)/kostnaden = QC/W

Men totala energin bevaras så

QH = QC + W

dvs

COP(värmepump) = QH/(QH-QC)

För Carnot-processen gäller (Coefficient_of_performance ) att entropin dQ/T är konstant varav följer

QC/TC = QH/TH

dvs

COP(värmepump) = TH/(TH-TC)

Låt oss för enkelhets skull anta vi utgår från nollgradigt vatten och att den varma reservoiren är 50o. Vi får då värmefaktorn

COP(värmepump) = (50+273)/(50) = 6.46

Smältvärmet för vatten är (fråga 14203 ) 333 kJ/kg. Låt oss räkna på 1 kg (=1 liter) vatten:

QC = 333 kJ

COP = 6.46 = QH/(QH-333)

6.46 QH -333*6.46 = QH

QH = 394 kJ

W = QH - QC = 61 kJ

Så med en insats på 61 kJ (elmotorn) får vi ut 394 kJ! Det låter som trolleri, men är faktiskt sant.

Låt oss kontrollera den totala entropin i varma och kalla reservoirerna

S = QH/TH + (-QC)/TC

S = 394/(50+273) - 333/273 = 0.00

vilket är som det skall vara för en Carnot-process.

Nu kan vi räkna ut om din idé är realistisk. Låt oss anta du behöver 5 kW 50 gradigt vatten för uppvämning. 1 kg vatten räcker då

394[kJ]/5[kJ/s] = 78.8 s

Du behöver alltså ställa in en tiolitershink med vatten ungefär var tionde minut! Och det är med en ideal process, en verklig process skulle ha betydligt mindre COP, i bästa fall 30-50% av den ideala.



/Peter E

Nyckelord: värmepump/kylskåp [6]; termodynamik [16]; verkningsgrad [20];

*

Kraft-Rörelse [17588]

Fråga:
Hej! Verkningsgraden i värmemotorer beror av tempereturskillnaderna. Då borde en bilmotor vara effektivare på vintern än på sommaren, men min bil verkar dra mer bensin per mil vintertid. Hur kommer det sig?
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Thomas! Det är korrekt att för en ideal process (carnotprocess se fråga 15817 ) så är verkningsgraden i stort sett proportionell mot temperaturskillnaden Thot-Tcold.

En förbränningsmotor är emellertid ingen carnotprocess. Verkningsgraden för en ottocykel (Otto_cycle ) ges av

h = 1 - 1/rg-1

där r är kompressionsförhållandet och g är 1.4 för luft. Med ett normalt kompressionsförhållande på r=8 får vi

h = 1 - 1/80.4 = 56%

Detta är utan förluster (värmeläckage, friktion), i verkligheten är verkningsgraden bara c:a 30%.

Så svaret på din fråga är dels att vi inte har att göra med en ideal carnotprocess och dels att andra faktorer dominerar. Det är t.ex. inte svårt att tänka sig att friktionen är mycket större vintertid, bland annat för att oljan är kall.

I formell fysikalisk mening är totala verkningsgraden för en bil i medeltal noll eftersom sluttillståndet kan anses vara samma som begynnelsetillståndet förutom att tanken är tom: stillastående bil tillbaka i utgångspunkten i garaget.

Se vidare Thermal_efficiency .
/Peter E

Nyckelord: verkningsgrad [20];

*

Energi [17510]

Fråga:
Vad är verkningsgraden på fjärrvärme?
/Maj U, Hulebäck, Mölnycke

Svar:
Maj! Den totala verkningsgraden beror naturligtvis på vilken värmekälla man har. När man väl producerat värmebäraren (vanligtvis varmt vatten) har man transportförluster på i medeltal 10% (se Fjärrvärme ) till konsumenten.

Se fråga 17042 för en lite mer generell diskussion om verkningsgrad.


/Peter E

Nyckelord: verkningsgrad [20];

*

Energi [17042]

Fråga:
Jag undrar vilka olika verkningsgrader som gäller mellan olika uppvärmningsmetoder för bostäder: direktel, värmepump, fjärrvärme, solceller, etc. Verkningsgraden ska omfatta hela kedjan från produktion av energin till dess användning. Tex el producerad av vattenkraft och som används vid direkteluppvärmning, inkl överföringsenergibortfall.
/Hans-Robert O, Bålsta

Svar:
En mycket omfattande fråga på ett område där vi inte är specialister. Det finns emellertid flera frågor om verkningsgrad i frågelådan. Speciellt fråga 15817 innehåller längst ner en länk med exempel på verkningsgrad.

Man skall emellertid inte överdriva betydelsen av en hög verkningsgrad. Det finns andra faktorer, t.ex. miljöpåverkan och ekonomi, som kan vara viktigare. Vindenergi har typiskt en verkningsgrad på 30%, medan vattenkraft har 90%. Kan man av detta dra slutsatsen att vattenkraft är tre gånger så bra som vindenergi. Naturligtvis inte eftersom det finns en nästan obegränsad potential i vindenergin medan tillgången på vattenkraft är begränsad.

Det gäller att inte dra slutsatser utan att ta med hela systemets påverkan. Elbilar är naturligtvis jättebra - tysta och utan utsläpp - men man måste även fråga sig hur elektriciteten produceras.

Om elektricitet produceras genom att värma vatten (kärnenergi, oljekraftverk) så är verkningsgraden bara c:a 30%. Om man emellertid kan använda kylvattnet till uppvärmning, så blir den totala verkningsgraden mycket större.
/Peter E

Nyckelord: verkningsgrad [20]; vindenergi [9]; vattenkraft [7]; *miljöpåverkan [14];

*

Energi [16819]

Fråga:
Hej! Jag håller på med ett arbete där jag bland annat skriver om solceller. Jag undrar hur man kan räkna ut verkningsgraden för en solcell och hur man räknar ut den årliga elproduktionen från solcellen. Vore jättetacksam för svar!
/Beatrice D, Enskilda Gymnasiet, Stockholm

Svar:
Beatrice! Nej, man har inte tillräcklig teoretisk förståelse av solceller för att kunna räkna ut verkningsgraden. Den är typiskt 15%, vilket ju är ett ganska lågt värde. För att sedan beräkna den årliga produktionen måste man veta antal soltimmar, ta hänsyn till absorption mm.

Det enda säkra sättet att ta fram verkningsgraden och årsproduktionen är att göra mätningar. Se fråga 16133 nedan för mer om solceller.
/Peter E

Se även fråga 16133

Nyckelord: verkningsgrad [20]; solenergi [14];

*

Energi [16651]

Fråga:
Vad betyder att vindens kraft i ett vindkraftverk ökar med kuben på vindens hastighet.
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! Vi håller på och jobbar med vindkraftverk i skolan och jag undrar vad som menas med att vindens kraft ökar med kuben på vindens hastighet.
/Elin S, Oslo by steinerskole, Oslo, Norge

Svar:
Elin! Vi gör en mycket förenklad modell av ett vindkraftverk med en normal rotor. Vi antar att vindhastigheten är v m/s. Den del av luften som kan påverka rotorn under tiden t sekunder är en cylinder med basytan A och höjden v*t. Volymen är alltså A*v*t och om luftens densitet är r blir massan av luftcylindern

m = r*A*v*t

Kinetiska energin för en kropp med massan m är

E = m*v2/2

Den under tiden t tillgängliga energin är då

E = r*A*v*t*v2/2

Den utvecklade effekten P är E/t

P = E/t = r*A*v*v2 = r*A*v3/2

Den totalt tillgängliga effekten ökar alltså med kuben på vindhastigheten.

Om längden på rotorbladen är r så blir ytan A = p*r2. P ges då av

P = r*p*r2*v3/2

Med vindhastigheten 10 m/s, luftens densitet 1.2 kg/m3 och längden på rotorbladen 10 m blir effekten

P = 1.2 [kg/m3] * 3.14 *102 [m2] * 103 [m3/s3] /2 = 190 kW

Nu kan man av lättförståeliga skäl inte få ut hela denna effekten som rotation av rotorn: uppbromsningen av luften som sätter fart på rotorn skapar ett övertryck bakom rotorn och detta övertryck bromsar vinden så att inte hela rörelseenergin kan utnyttjas.

Att den teoretiskt maximala effekt som kan utvinnas med hjälp av en rotor i ett vindkraftverk är 16/27 eller approximativt 0,59 av effekten hos den fritt strömmande luften strax framför rotorn brukar betecknas som Betz lag, se Betz_lag . I själva verket kan maximalt endast ca 45% av effekten hos den genomströmmande luften utnyttjas beroende dels på rotorns verkningsgrad och dels på övriga komponenters verkningsgrader (vanligen växellåda och generator). I praktiken brukar endast ca 35% utnyttjas.

Se Betz'_law för härledning av den teoretiskt maximala verkningsgraden.

Se även bra och omfattande artiklar i Wikipedia: Vindkraft , Vindkraftverk , Wind_power och Wind_turbine .



/Peter E

Nyckelord: vindenergi [9]; verkningsgrad [20];

1 http://www.awea.org/faq/windpower.html
2 http://science.howstuffworks.com/wind-power.htm

*

Energi, Kraft-Rörelse, Värme [16552]

Fråga:
Hur omvandlas bilens bränsle till rörelseenergi?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hur omvandlas bilens bränsle till rörelseenergi och kan man ta vara på värmeenergin som bildas vid inbromsning och i så fall används den metoden idag? Hur fungerar bromsar och styrsystem, med och utan servo?
/Alida F, Uppgårdskolan, Stenhamar

Svar:
Alida! Det är mycket omfattande frågor du ställer och de är delvis mer teknologi än fysik. Jag kommer att behandla några av de fysikaliska aspekterna i din fråga.

Förbränningsmotorer

Bilens bränsle förbränns tillsammans med syre från luften i en cylinder. Varm gas tar mer plats än kall gas och expansionen driver en kolv. Via en vevaxel omvandlar man fram-och-tillbaka rörelsen till rotation som kan driva hjulen, se nedanstående animering från Wikimedia Commons (Engine ). Observera att det är inte den höga temperaturen i sig som driver förbränningsmotorn utan skillnaden i temperatur mellan de varma och kalla delarna. En förbränningsmotor måste alltså alltid kylas - oftast med vatten. I ett kraftverk eller fabrik kan man använda kylvattnet för uppvärmning, men i en bil är det varma kylvattnet en ren energiförlust. Effektiviteten (verkningsgraden) för en förbränningsmotor (producerat mekaniskt arbete/(bränslets energiutveckling) är av storleksordningen 40% (Internal_combustion_engine ).

Bromsar

Den traditionella konstruktionen för bromsar är två plattor eller cylindrar som bringas i kontakt och genom friktion förvandlar mekanisk energi till värme. Normalt är denna värme en ren förlust.

Det finns emellertid bromsar som återanvänder bromsenergin.

Om bilen drivs av en elmotor och batterier kan man använda motorn som broms. Elmotorn blir i stället en generator som producerar ström som laddar patterierna. Det är alltså det mekaniska motståndet från generatorn (Lenz's_law ) som ger bromsverkan. En stor del av energin kommer till nytta från det uppladdade batteriet. Se Regenerative_brake#The_motor_as_a_generator .

En annan lösning är att använda sig av ett svänghjul. Ett svänghjul (se Flywheel ) är en mekanisk anordning vars syfte är att lagra rörelseenergi genom att en tung cylinder sätts i rotation. För ett fordon överför man rörelseenergi till rotationsenergi hos svänghjulet. Denna rotationsenergi kan sedan återanvändas för acceleration. Systemet används bland annat av några stall i Formel 1. Systemet kallas KERS (Regenerative_brake#Kinetic_Energy_Recovery_Systems ). Man kan med detta system få några extra hästkrafter för en snabb omkörning. Svänghjulet laddas alltså upp av uppbromsningarna. Anledningen till att inte alla Formel 1 stall använder KERS är att systemet är ganska tungt (c:a 25 kg) och därför medför begränsningar i den optimala viktfördelningen i bilen. (Kommentar: Systemet var förbjudet under säsongen 2010, men är tillåtet från säsongen 2011.)

Hydraulik/servosystem

Hydraulik är ett system med två kolvar med olika diameter som är förbundna med en slang innehållande en vätska, vanligen olja. Vätskan är inkompressibel (kan inte tryckas ihop), och man skapar ett övertryck genom att trampa på en pedal. Om kolvarnas ytor förhåller sig som 1/10 får man en förstärkning av kraften med en faktor 10. På samma sätt som för en hävstång betalar man kraftförstärkningen med att den mindre kraften verkar över en längre sträcka, se Hydraulik .

Ett servo-system skall enligt en strikt definition (Servomechanism ) även innehålla en extern drivkälla (t.ex. vakuum från motorn) och återkoppling.



/Peter E

Nyckelord: hävstång [5]; friktion [44]; verkningsgrad [20]; energilagringssystem [7]; formel 1 [2];

*

Energi [15817]

Fråga:
Hej! Jag har en fråga angående verkningsgrad. Är det mindre energisnålt om verkningsgraden är mindre eller större? t.ex: är verkningsgraden 88%, mer eller mindre energisnålt än verkningsgraden 67%? Vore tacksam för ett snabbt svar.
/jessica s, naturhumanistiska, helsingborg

Svar:
Jessica! Vi svarar alltid jättefort för vår verkningsgrad är hög !

Verkningsgrad definieras som (nyttig energi)/(total tillförd energi). Maximala verkningsgraden är alltså 100%. För att vara energisnål vill man alltså att verkningsgraden skall vara så hög som möjligt, dvs så nära 100% som möjligt.

Begreppet illustreras av nedanstående generella bild. Där är Ein tillförd energi, Eout är nyttig energi (t.ex. mekaniskt arbete) och loss är förluster (ofta i form av kylvatten). Man kan naturligtvis dividera alla ovanstående energivärden med tiden och uttrycka verkningsgraden i effekt.

Ett kolkraftverk har en verkningsgrad på c:a 30%, medan ett vattenkraftverk har en verkningsgrad på c:a 90%. Anledningen är att kolkraftverket har en kretsprocess där man kyler bort en hel del energi, medan vattnets lägesenergi kan förvandlas till elektricitet (via mekanisk rörelseenergi) med mycket högre effektivitet.

I en bilmotor omvandlas värme till arbete. Enligt en mycket grundläggande princip i fysiken som kallas för termodynamikens andra huvudsats så kan inte värme omvandlas helt till arbete. Det finns en övre gräns för verkningsgraden, den så kallade Carnotverkningsgraden som beror av temperaturen i motorn och omgivningens temperatur. Carnotprocessen är alltså den teoretiskt mest optimala kretsprocessen för att förvandla termisk energi (värme) till arbete.

Carnotverkningsgrad

Genom att betrakta en ideal värmemaskin, en så kallad carnotprocess, visade Carnot också att maskinens verkningsgrad enbart är beroende av de två temperaturer som maskinen arbetar mellan. Genom att han utgick från en ideal process kunde han säga att detta är den högsta teoretiska verkningsgrad en värmemaskin kan ha, denna har kommit att kallas carnotverkningsgrad.

Verkningsgraden för en carnotprocess (Carnot_cycle ) h ges av

h = (TH-TC)/TH

där TH är den högre temperaturen och TC den lägre, båda absoluta temperaturer i K. För en kretsprocess mellan 600 och 300 K blir den maximala verkningsgraden

h = (600-300)/600 = 0.5 = 50%.

Detta är alltså den teoretiskt maximala verkningsgraden. Till detta kommer andra effekter som minskar den verkliga verkningsgraden, t.ex. värmeläckage, friktionsförluster mm.

Kort om verkningsgrad på svenska: Verkningsgrad . Mer omfattande på engelska: Thermal_efficiency . Wikipedia-artikeln Energy_conversion_efficiency innehåller exempel på verkningsgraden för olika apparater/processer.



/Peter E

Nyckelord: verkningsgrad [20];

*

Energi [723]

Fråga:
Är det miljövänligt att använda lågenergilampor?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Minskar jag den totala energikostnaden (inklusive kostnader för glödlampor och elförbrukning) om jag skaffar mig lågenergilampor till en villa med direktverkande el?
/Karin O, Mörarp, Mörarp

Svar:
En mycket bra fråga, som är ett av många exempel på att man, om man vill värna om vår miljö, måste ta hänsyn till alla effekter. Tåg är ju till exempel ett mycket energieffektivt och miljövänligt transportmedel, men man måste också ta hänsyn till exempelvis tunnelbyggande (tänk på Hallandsåsen!) och hur man producerar den ström som tågen behöver.

Lågenergilampor är små kompakta lysrör, som i stället för en glödtråd har en gas i vilken det blir en urladdning. Lågenergilampor innehåller miljöfarliga ämnen (t.ex. kvicksilver), så när de går sönder måste de tas om hand på ett bra sätt.

Lågenergilampor är betydligt dyrare än vanliga lampor, men de varar längre, så kostnaden blir ungefär densamma. Det har ingen betydelse om värmen kommer från lampor eller element - all energi från lamporna utom den lilla del som går ut genom fönstren används till uppvärmning. Dessutom är det ju så att vi behöver mest uppvärmning på vintern när vi även behöver mest ljus. Värmen från utspridda lampor blir även jämnare fördelad i rummet än från enstaka element.

Skulle man då lika gärna kunna använda bara lampor för uppvärmningen? Nej, det skulle bli för dyrt. Visserligen blir energiförbrukningen (det vill säga elräkningen) densamma, men lamporna går sönder efter en tid, medan ett el-element kan användas mycket länge. Dessutom blir det väldigt ljust hela natten, vilket kan vara störande.

Se även Lågenergilampor sprider kvicksilver med soporna .

Ljuskällor

Ljuskällor är konstruktioner som genererar ljus. Det finns flera olika ljuskällor som bygger på varierande fysikaliska fenomen. Nedan är en sammanställning av fördelar och nackdelar med olika ljuskällor. Detaljer om hur de olika ljuskällorna fungerar finns under länk 1, i Wikipedia-artiklarna Glödlampa och Lågenergilampa samt under nyckelordslänkarna nedan.

Eftersom olika ljuskällor skapar ljus på olika sätt (se nedan) så är fördelningen av ljuset med olika våglängd (spektrum) mycket olika, se figuren nedan.

Glödlampa
Mycket gammal och etablerad ljuskälla som är på väg att fasas ut genom EU-bestämmelser (Incandescent_light_bulb ). Glödlampan har en glödtråd (vanligen av wolfram) som ljuskälla. Glödtråden omges av en skyddande gas (vanligen en ädelgas) innesluten i en glaskolv. Glaskolven är fastsatt i en metallsockel, och elektriskt ledande trådar går från glödtrådens ändar ut genom sockeln. Glödtråden fungerar som ett elektriskt motstånd, och då ström leds genom den blir den het och fungerar därmed som en svartkroppsstrålare (temperaturstrålning ) som avger ljus och värme.
++ billig
+ behagligt, varmt ljus
- dålig ljuseffektivitet, c:a 2% (ger mycket värme, Incandescent_light_bulb#Efficiency_comparisons )

Lysrör
Etablerad ljuskälla i vissa miljöer, speciellt offentliga (Fluorescent_lamp ). Lysrör är en elektrisk ljuskälla som joniserar argon och kvicksilverånga för att bli elektriskt ledande varvid UV-ljus skapas. UV-ljuset exciterar elektroner i det fluorescerande pulver som är anbragt på glasrörets insida. När den exciterade elektronen återfaller i sin lägre bana avges synligt ljus. Glaskvaliteten i röret förhindrar UV-läckage.
+ relativt billigt
+ bra ljuseffektivitet (c.a 10 gånger bättre än en glödlampa)
+ lång livslängd
+ ljuset kan anpassas för olika behov med olika fluoriscenter
- startar upp långsamt (sekunder)
- kallt ljus
- svåra att reglera ljusstyrkan ("dimma")

Lågenergilampa
Är i princip ett litet lysrör och har därför liknande fördelar och nackdelar (Compact_fluorescent_lamp , Lågenergilampa )
+ relativt billig
+ bra ljuseffektivitet
+ lång livslängd (varierar dock)
- startar upp långsamt (sekunder)
- kallt ljus
- innehåller kvicksilver
- åldras (effektiviteten försämras)
- temperaturkänslig
- kan ej "dimmas"

Halogenlampa
Används mest i tillämpningar där man vill ha en liten ljuskälla, t.ex. bilstrålkastare, spotlight (Halogen_lamp ). En halogenlampa är en slags glödlampa som innehåller halogengas, vanligen av jod eller brom. I halogenlampan är temperaturen hos glödtråden högre än i en vanlig glödlampa. Den höga temperaturen gör att glödtråden förgasas till viss del men de gasformiga atomerna sublimerar och återgår till glödtråden i ett kretslopp så att den håller 2-4 gånger längre och ger mer ljus än en glödlampa. Halogenlampans ytterhölje är gjort av värmetåligt kvartsglas och har vanligen ett UV-skydd för att filtrera bort UV-strålning.
+ lite högre ljuseffektivitet än en vanlig glödlampa pga högre temperatur
+ innehåller inga tungmetaller
- relativt dyr
- kräver normalt lågspänning så man behöver en transformator

Lysdiod
Kommer nog att etablera sig som en mycket viktig ljuskälla när problemen högt pris och onjutbart ljus har lösts (Light-emitting_diode ). Lysdiod (Light Emitting Diode, LED) är en diod som utstrålar inkoherent monokromatiskt ljus vid en elektriskt framåtriktad spänning. Till skillnad från glödlampor, som kan använda likström eller växelström så kräver lysdioder likström med rätt polaritet (några få volt). När spänningen genom PN-övergången är i rätt riktning, flyter en betydande ström genom dioden. Strömmen säges då vara framåtriktad. Spänningen över lysdioden är i detta tillfälle stabil för en given lysdiod och proportionell mot energin av de utstrålade fotonerna. Speciella konstruktioner (fråga 12571 ) kan ge vitt ljus.
+ bra ljuseffektivitet
+ ej stötkänslig
+ mycket lång livslängd även om den tappar i effektivitet
+ innehåller inga tungmetaller
+ kan göras mycket små
+ ljuset kan fokuseras till en stråle utan reflektor
-- mycket dyr än så länge
- kallt ljus
- temperaturkänslig (speciellt för värme)

Översikt över de vanligaste lamptyperna (från Sydsvenska Dagbladet 5/12/09):

Glödlampa   Lågenergilampa   Halogenlampa   LED-lampa
   60W           15W            35W         7-15W
710 lumen      710 lumen       710 lumen   710 lumen
12 lumen/W     50 lumen/W      20 lumen/W  50-100 lumen/W

Se Luminous_efficacy för en översikt av effektiviteten (verkningsgraden) av olika ljuskällor. Se länk 2 och Plasma_lamp för information om plasmalampor.



/Peter Ekström

Nyckelord: *miljöpåverkan [14]; uppvärmning av bostäder [2]; lågenergilampa [13]; glödlampa [18]; lysdiod [12]; lysrör [9]; halogenlampa [3]; verkningsgrad [20]; #ljus [63];

1 http://www.blewbury.co.uk/energy/lighting.htm
2 http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article3079117.ece

*

Energi [11007]

Fråga:
Hej! Håller på med en hemtenta i miljökunskap och fastnade på följande fråga: " Motivera varför husuppvärmning med el producerad i ett oljekraftverk är ett resursslöseri. Motivera med beräkningar!" Jag vet att det handlar om att el är en mycket exergirik energiform medan värme har mycket låg exergi, men jag får ändå inte riktigt ihop mitt resonemang. Tacksam för snabbt svar!
/Mimmi K, Komvux, Lidköping

Svar:
Den teoretiska gränsen för verkningsgraden för en ångturbin ges av

1 - T/t

där T är ångans temperatur (i Kelvin) och t är kondenseringstemperaturen. Sätter man in rimliga värden, finner man att verkningsgraden blir kring 30%. Så mycket kan alltså bli el, resten försvinner i kylvattnet.

Man kan förbättra energiutnyttjandet genom att utnyttja spillvärmet från kraftproduktionen till att värma upp t.ex. bostäder. Detta gör man vid många mindre värmekraftverk, men inte vid kärnkraftverk.
/KS/lpe

Se även fråga 8309

Nyckelord: verkningsgrad [20];

*

Energi [10920]

Fråga:
En solcell producerar elektricitet. Dess efektivitet är ca 15%. En solfångare som är monterad på samma tak som solcellen producerar varmvatten. Den har en effektivitet på 75%. Förklara varför det är så stor skillnad i effektivitet.
/Anders N, Skvadern, Sundsvall

Svar:
En solfångare värms ju bara upp. Där skulle effektiviteten teoretiskt kunna vara 100%. I en solcell omvandlas solenergin till en högre energiform än värme. I en sådan process förvandlas alltid en del av solenergin till värme. Solcellerna behöver även kylas, och det kostar energi. Därför kan en solcell aldrig komma upp i 100% effektivitet. För närvarande är 15% ett typiskt värde.

Det är samma sak när man gör elektricitet från upphettat vatten t.ex. i ett kärnkraftverk. Ett stort kärnkraftverk har en termisk effekt på 3000 MW (producerar 3000 MJ per sekund), men med en typisk verkningsgrad på 30% blir den producerade elektriska effekten bara 1000 MW. Återstående 2000 MW kyls bort, oftast av en flod eller havet. Endast i undantagsfall använder man en del av kylenergin till nyttig uppvärmning.
/KS/lpe

Nyckelord: solenergi [14]; verkningsgrad [20];

*

Energi [142]

Fråga:
Vad är exergi?
/

Svar:
Låt oss börja med värmemotorer och begreppet tillgängligt arbete. En värmemotor kan enligt Carnot inte ha 100% verkningsgrad utan verkningsgraden är uppåt begränsat av ett uttryck som beror av värmekällans och omgivningens temperatur. Om vi nu värmer en kastrull på spisen så har vi tillfört en viss värmemängd. Vi kan inte få tillbaka allt som mekaniskt arbete utan endast en mindre del om vi "kör" en värmemotor med det varma vattnet. Den mängd arbete vi teoretiskt kan få ut kallas för "tillgängligt arbete".

På samma sätt införes "exergi" som den maximala mängd mekaniskt arbete vi kan få ut ur en process där vi har ett stationärt flöde. Ett exempel på en sådan process är en turbin. In i turbinen strömmar hela tiden ånga vid hög temperatur och ut strömmar vattenblandad ånga vid låg temperatur. Skillnaden i exergi mellan in- och utlopp av turbinen anger hur mycket arbete turbinen kan utföra. Ofta anges "specifik exergi" som betyder arbetet per massenhet som passerar turbinen.

Exergi ("ordnad energi") är alltså den mängd arbete som kan utvinnas ur ett system då det går till termodynamisk jämvikt med omgivningen.

Nyckelord: verkningsgrad [20];

*

Energi [794]

Fråga:
Ungefär hur mycket energi kan man få ur ett vattenkraftverk som har en fallhöjd på 200 m och ett vattenflöde på ca 600 l/s.
/Thomas M, Dalängskolan, Lidköping

Svar:
Du menar säkert effekt, vilket är utvecklad energi per sekund. 1 liter vatten väger 1 kg, och påverkas av kraften 9.81 N. Energi är kraften*sträckan. Totala effekten blir då

200*600*9.81 Nm/s=1177200 W.

Med en verkningsgrad av 90%, så ger detta ungefär 1059 kW, vilket är mycket lite jämfört med Harsprångets kraftstation på 977 MW maxeffekt, se Harsprånget 1.

En eluppvärmd villa förbrukar sådär 20000 kWh på ett år, det vill säga effekten är

20000/(365*24)=2.3 kW.

Kraftverket skulle alltså räcka till att värma ungefär 1059/2.3=460 villor. _______________________________________________________________

1) Med fallhöjden 107 m, medelvattenföringen 268 m3/s och verkningsgraden 0.9 får vi medeleffekten

0.9*9.81*107*268*103 = 250 MW

alltså ungefär 1/4 av maxeffekten.
/Peter Ekström

Nyckelord: verkningsgrad [20]; vattenkraft [7];

*

Ämnesområde
Sök efter
Grundskolan eller gymnasiet?
Nyckelord: (Enda villkor)
Definition: (Enda villkor)
 
 

Om du inte hittar svaret i databasen eller i

Sök i svenska Wikipedia:

- fråga gärna här.

 

 

Frågelådan innehåller 7168 frågor med svar.
Senaste ändringen i databasen gjordes 2017-07-06 14:08:20.


sök | söktips | Veckans fråga | alla 'Veckans fråga' | ämnen | dokumentation | ställ en fråga
till diskussionsfora

 

Creative Commons License

Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar
.