Svar:
Gabriel! Är verkligen mjölken kall och muggen varm? Det låter mycket konstigt! Den normala förklaringen av mikrovågsugnens funktion är att energin från mikrovågorna (med c:a 10 cm våglängd) absorberas av vattenmolekyler. Det är alltså mjölken som värms. Muggen innehåller knappast vatten, så uppvärmingen av denna sker genom ledning från den varma mjölken.

Den enda förklaring till din observation som jag kan komma på är att muggen är av något material som kan absorbera mikrovågor. Kan lergodset t.ex. innehålla tillräckligt mycket vatten.

För att se om detta är korrekt kan du göra följande experiment (tillsammans med en vuxen för mikrovågsugnar kan ibland vara lite farliga): Ställ en tom mugg och en mugg med vatten i mikron. (Muggen med vatten är till för att ta hand om mikrovågorna - det är inte bra att köra mikron utan något att värma.) Kör en halv minut på full effekt. Öppna dörren och känn på muggarna. Vilken är varmast? Jag tror att den med vatten är varmast och den tomma muggen är kall. Skriv gärna en fråga till med resultatet av experimentet.

Tillägg från Gabriel 28/5:

Gabriel och jag (mamma) testade det du sa och stoppade en tom mugg i mikro och en med vatten. Den med vatten blev varmast men när jag tog den muggen som jag tycker blir så varm så blev den också varm men inte riktig lika varm som den med vatten i. När vi värmde ett glas blev det också varmt fast det inte var vatten i, varför blev det de? Den muggen som blir så himla varm är av lerkeramik.

Tillägg från Peter E:

Tack för inlägget med resultatet av fortsatta experiment!

Era observationer med en mugg med och en utan vatten (samtidigt!) är som man väntar sig. Trots att muggen med vatten kräver mer energi för att bli varm (både muggen och vattnet skall ju värmas och vatten kräver mycket energi) så blir den betydligt varmare än den tomma muggen. Den tomma muggen värms upp lite grann trots att den innehåller lite vatten (glas inneåller inget vatten alls).

Förklaringen är alltså att vatten absorberar mikrovågsstålning mycket bra men keramik och glas absorberar vatten dåligt. Därför kommer vattnet i muggen att värmas mycket, och muggen med vatten blir varm genom värmeledning från vattnet. Det blir emellertid inte mycket mikrovågor över för att värma den tomma muggen.

Om man emellertid ställer in bara en tom mugg, så måste ändå mikrovågorna ta vägen någonstans! De kommer att så småningom absorberas av muggen och väggarna i mikrovågsugnen. Väggarna och muggen kommer alltså i detta fallet att bli varma. Det är därför man rekommenderar att man aldrig skall köra mikrovågsugnen utan mat eller vätska.

Jag upprepade ert försök dels med en tom och en full mugg. Den tomma muggen blev bara ljummen medan den fulla blev varm. Ett ensamt tomt glas blir, precis som du säger, mycket varmt på kort tid. Men, igen, gör inte det försöket för mamma blir nog irriterad om hon blir av med mikrovågsugnen :-(.
/Peter E 2008-05-26

Svar:
Hej Maria! Låt oss resonera systematiskt! Vad menas med att du bränner dig på gommen? Jo det är att gommen blir så varm (hög temperatur) att de värmekänsliga cellerna signalerar hög temperatur eller i värsta fall att man får en liten (övergående) skada. Det väsentliga är alltså att höja gommens temperatur.

För att höja gommens temperatur krävs dels att pizzan har tillräcklig specifik värmekapacitivitet och dels att värmeledningsförmågan är tillräcklig (och naturligtvis att den är tillräckligt varm). Så svaret är alltså: både och! Om värmeledningsförmågan är dålig, är det bara ett tunnt skikt som bidrar: liten temperaturhöjning eftersom temperatursänkningen hos pizzan är stor. Om specifika värmekapacitiviteten är liten, får man igen en stor sänkning av pizzans temperatur.

Metaller har mycket hög värmeledningsförmåga (eftersom det finns fria elektroner) och rimligt hög specifik värmekapacitivitet (värmemängd per kg och K). Man bränner sig alltså mycket på metaller. Du bränner dig på spiken i bastun men inte på trätrallorna. Du bränner dig inte heller på en het aluminiumfolie, eftersom massan är så liten och därmed värmekapaciteten.

Vatten har mycket hög specifik värmekapacitivitet och hygglig värmeledningsförmåga. Torra bitar som brödet har emellertid låg värmekapacitivitet och dålig värmeledningsförmåga eftersom brödet innehåller en massa luftbubblor som leder värme dåligt. Det är alltså på fyllningen (som innehåller mycket vatten) och inte på brödet du bränner dig.

/fa

/Peter E 2009-09-17

Svar:
Marianne! Nej, luften kommer i båda fallen både från munnen och lungorna. Skillnaden är att om du stänger munnen och bara lämnar ett litet hål, så skapas ett litet övertryck i munnen. Eftersom det är ett lite lägre tryck utanför munnen, måste den utströmmande luften expandera. Om en gas får expandera fritt så kyls den. Tvärtom, om en gas komprimeras så värms den upp. Du har säkert märkt att cykelpumpen blir varm när du pumpar upp däcket.
/Peter E 2009-10-22

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_brakeThe_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_brakeKinetic_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 2009-10-27

Svar:
Axel!

1 Den specifika värmekapaciteten för is är 2.1 kJ/kg.K. Det frigörs alltså 2.1 kJ när man sänker temperaturen en grad hos 1 kg is.

2 Nej, det är inte meningsfullt. Även om det i princip enligt termodynamikens första huvudsats (energins bevarande) finns energi att hämta ur is om man kyler ner det till absoluta nollpunkten så saknar det mening pga termodynamikens andra huvudsats: värme går från en varmare kropp till en kallare. När det gäller möjligheten att ge energi är alltså temperaturen viktig: ju högre temperatur desto högre energipotential.

En kropps värmeenenergi är alltså inget som är direkt givet, utan det beror på processen med vilken man extraherar energin. Att få energi genom att kyla is låter inte särskilt lovande. Tänk t.ex. på att det faktiskt kostar energi att frysa köttbullarna som blev över trots att du tar ut värmeenergi från dem. (Värmeenergin går till uppvärmning av huset.)

Låt oss ta ett exempel. Det extrema energiinnehållet är om man har en bit materia med massan 1 kg. Om man har tillgång till 1 kg antimateria (som i Dan Browns bok Änglar och demoner) skulle man kunna frigöra

2mc² = 2c² = 2(310⁸)² = 18 10¹⁶ J

Detta motsvarar den energi som ett kärnkraftverk med effekten 1000 MW utvecklar under 6 år. Enda problemet är att det kostar mångdubbelt denna energi att producera ett kg antimateria :-(.

Se vidare Thermodynamics och Termodynamik.
/Peter E 2009-11-22

Svar:
Thomas! Det finns en formel (länk 1, Hyperphysics) som är en approximation, men den fungerar säkert inte för stora värden på salthalten.

Att förstå varför smältpunkten sjunker med ökande salthalt är emellertid inte så svårt, se länk 2 (som även innehåller en mycket illustrativ animering):



Om man har rent vatten vid 0^oC i jämvikt med is av samma temperatur, så kommer lika många vattenmolekyler att fastna på isbiten som lossnar från isbiten. Om man häller i ett salt (det behöver inte vara joner, det går bra även med t.ex. socker) så kommer det att bli en lägre koncentration av vattenmolekyler i den flytande fasen. Detta förskjuter jämvikten så att fler vattenmolekyler lossnar och går i lösning. Detta kostar energi (smältvärmet), så temperaturen sänks. När temperaturen sjunkit lite inställer sig ett nytt jämviktsläge. Vi har alltså fått en lösning som har lägre smältpunkt (fryspunkt) än rent vatten.

Animationen ovan kräver att Macromedia flash plugin är installerat. Om animationen ändå inte startar - försök att ladda om webbsidan.

Förslag till uppgifter med animationen:

1. Vid 0^oC och utan salt är det jämvikt mellan is och vatten.
   
2. Klicka på 'add solute' för att tillsätta salt. Isen smälter och temperaturen sjunker (även om detta inte visas).
   
3. Ändra temperaturen till -5^oC. En del is kommer tillbaka.
   
4. Ändra temperaturen till -20. Allt fryser.
   
5. Klicka på 'remove solute'. Även vattnet som ersätter saltet fryser.
   

Observera att animationen är kvalitativ och schematisk. Övertolka inte temperaturer och koncentrationer.

Det finns gränser hur lång ner man kan komma i temperatur, men -18^oC bör vara nära den lägsta möjliga (se fråga [12407] om fahrenhetskalan).

Se vidare Freezing-point_depression och den utmärkta (men inte helt lättbegipliga) sajten Water Structure and Science.
/Peter E 2010-01-11

Svar:
Vesna! Jag visste inte det fanns något som heter infraröd bastu! Det första jag gjorde var att googla det varvid det kom upp massor av annonser. Efter att ha etablerat att fenomentet existerar konsulterade jag Wikipedia (Infrared_sauna). Där finns en, såvitt jag kan förstå, kort men vederhäftig artikel - även om den signaleras som bristfälligt dokumenterad. Bilden nedan kommer från Wikimedia Commons.

Eftersom jag inte är läkare vill jag inte gå in på om värmen från ett element i en infraröd bastu kan vara skadlig. Den infrarötda strålningen värmer uppenbarligen upp hudskiktet och genom ledning även en bit in i kroppen. Om detta är bra eller dåligt kan jag alltså inte uttala mig om.

Möjligen kan jag se en liten risk i att ha ett elektriskt värmeelement öppet i den fuktiga bastun. En mer traditionell uppvärmning kan placeras mer utom räckhåll från bastun.

Det mesta i Wikipedia-artikeln ovan handlar om påstådd nytta med den infraröda bastun. Undersökningen som hävdar att bastun är bra mot reumatisk värk, styvhet mm är alldeles för bristfällig för att dra någon slutsats.

Stycket om att man man kan göra av med kalorier och därmed bli slankare är obetalbart. Där står att man i bastun svettas kanske 1/2 liter vatten och därmed tappar 1/2 kg i vikt. Varje brottare vet detta! Problemet är att man snart blir törstig och dricker 1/2 liter vatten och är tillbaka där man började!

Det är nu det blir riktigt roligt! För att förånga 1/2 kg vatten krävs 0.52260=1130 kJ ([14203]). Eftersom 1 kilokalori är 4.2 kJ ([14108]) blir detta nästan 300 kilokalorier. Detta motsvarar c:a 1/2 mils löpning. Motion genom att bara sitta stilla! Det är naturligtvis för bra för att vara sant! Energin för att förånga vattnet tas inte från fettreserven utan från värmen i bastun.

Anmärkning 21/4/16:

Här ser man styrkan i Wikipedia. Någon har observerat felet ovan och lagt till:

"However, this conclusion drew significant criticism, as it would imply that individuals living in warm climates, where liters of sweat are generated per day, would require hundreds or thousands of additional kilocalories to survive, which is known not be the case."

/Peter E 2010-04-27

Svar:
Nyhuggen ved innehåller mycket mer vatten än torkad ved. Det traditionella svaret är att vattnets ångbildningsvärme är stor, och att alltså mycket energi förloras till att förånga vatten. Låt oss göra en kvantitativ uppskattning.

Energiinnehållet i torr ved är enligt Energy_densityCommon_energy_densities 16 MJ/kg. Ångbildningsvärmet för vatten är 2.3 MJ/kg. Om vatteninnehållet är 30% så utvecklas 0.716=11.2 MJ. För att förånga vatteninnehållet går det åt 0.32.3=0.7 MJ. Nettoenergiinnehållet blir alltså 11.2-0.7=10.5 MJ. Förhållandet torr ved/fuktig ved blir alltså 16/10.5=1.5.

Det mesta av effektförlusten kommer sig av att vattnet inte ger något bidrag till energiutvecklingen. Totalt sett är det alltså inte ångbildningsvärmet som är den stora effekten utan det faktum att massa försvinner vid torkning. Den fuktiga vedklabben ger alltså nästan samma totala energiutveckling om man torkar den.

Men den som eldat med fuktig och torr ved vet att det är en enorm skillnad! Det måste alltså vara en annan effekt som dominerar, t.ex. hur effektivt värmen transporteras till rummet.

Det är självklart att torr ved brinner bättre (vid högre temperatur) än fuktig ved. Den utstrÃ¥lade effekten per m² ges av Stefan-Boltzmanns lag (Stefan–Boltzmann_law):

P = sT⁴

där konstanten s=5.6710^-8 W/m²/K⁴ och T är den absoluta temperaturen i kelvin. Vi har alltsÃ¥ för strÃ¥lning ett mycket häftigt beroende av temperaturen. LÃ¥t oss anta att temperaturen är 1000 K med torr ved och 750 K med fuktig. StrÃ¥lningen är dÃ¥ 1.33⁴=3 gÃ¥nger högre för torr ved. (De uppskattade temperaturerna är frÃ¥n länk 1 sidan 4.)

Men vi måste självklart bevara den totala energin, hur går det ihop? Om förbränningen sker långsamt vid lägre temperatur kommer en större andel av värmen försvinna ut i skorstenen. Eftersom man knappast vill ha någon konvektion (strömning) av rökgaser ut i rummet, så är det strålningen (värmestrålning och synligt ljus) som värmer upp spisen och rummet. Effektiviteten hos spisen är alltså mycket beroende på temperaturen, som i sin tur beror av fuktinnehållet i veden.

Se även Wood_fuel. Nedanstående bild är därifrån.

/Peter E 2011-10-27

Svar:
En värmepump är en teknisk anordning som överför värme från en kall till en varm plats. För att detta ska vara möjligt måste energi i någon form tillföras, enligt termodynamikens andra huvudsats. Tekniken i en värmepump är i princip densamma som i en kylanläggning. Den huvudsakliga skillnaden mellan dessa två är användningsområdet; värmepumpar används för uppvärmning, medan kylanläggningar används för kylning. (Värmepump)

En värmepump och ett kylskåp är alltså i princip samma sak. Enda skillnaden är att för kylskåpet är det den kalla delen som är av intresse och för värmepumpen är det den varma delen.

Enkelt uttryckt skapar man den kalla delen genom att låta en gas expandera eller en vätska förångas. Dessa processer kostar energi, så mediet kyls ner. Sedan kondenseras mediet i den varma delen med en kompressor (pump). Köldmediet (propan, ammoniak eller tidigare freoner) genomgår alltså i en kretsprocess och skapar en kall och en varm del. Energi tillförs systemet med en (vanligen elektrisk) motor.

Principen framgår av nedanstående figur från Heat_pump (New version of the figure with the arrow in the evaporator coil reversed to show correctly the heat transfer from outside environment to the inside fluid).

1 Kondensor (varm)

2 Strypanordning

3 Förångare (kall)

4 Kompressor

Vi har två sidor, den varma (1) och den kalla (3). För ett kylskåp är den kalla delen inne i skåpet och den varma delen utanför (kopparrör bakom skåpet). För en luftvärmepump är den kalla delen ute och den varma delen inne.

Kompressorn drivs av en elektrisk motor och rörsystemet innehåller ett gasformigt/flytande kylmedium som cirkulerar i röret.

Kompressorn (4) komprimerar gasen varvid temperaturen stiger (samma effekt som gör att en cykelpump blir varm). När gasen kondenserar frigörs ytterligare energi och temperaturen stiger ytterligare.

Strypanordningen (2) låter kylmedlet expandera, varvid temperaturen sjunker. Temperaturen sjunker ytterligare för att det går åt energi när kylmedlet övergår till gasform.

Man "pumpar" alltså värme från den kalla delen till den varma. Detta kan inte ske spontant eftersom termodynamikens andra huvudsats (Termodynamikens_huvudsatser) säger att värme går från en varmare kropp till en kallare om man inte tillför arbete. Det är den elektriska motorn som genom mekaniskt arbete driver kompressorn som får värmen att gå "åt fel håll".

När det är varmt kan man med en vanlig värmepump åstadkomma kylning genom att helt enkelt pumpa kylmedlet i andra riktningen så att 1 (inne) blir kallt och 3 (ute) blir varmt.

För att sprida värmen/kylan effektivt har man en fläkt både inne och ute.

Se även fråga [14245], Värmepump och Heat_pump.

/Peter E 2011-11-01

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 = Q_H/W

På analogt sätt kan vi definiera kylfaktorn för en kylmaskin

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

Men totala energin bevaras så

Q_H = Q_C + W

dvs

COP(värmepump) = Q_H/(Q_H-Q_C)

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

Q_C/T_C = Q_H/T_H

dvs

COP(värmepump) = T_H/(T_H-T_C)

Låt oss för enkelhets skull anta vi utgår från nollgradigt vatten och att den varma reservoiren är 50^o. 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:

Q_C = 333 kJ

COP = 6.46 = Q_H/(Q_H-333)

6.46 Q_H -3336.46 = Q_H

Q_H = 394 kJ

W = Q_H - Q_C = 61 kJ

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

LÃ¥t oss kontrollera den totala entropin i varma och kalla reservoirerna

S = Q_H/T_H + (-Q_C)/T_C

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 2012-02-02