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:
Hej Sofia! Mycket bra men svåra frågor du ställer!

Naturvetenskap

I naturvetenskap har man för det första några grundregler som kallas vetenskaplig metod, se fråga [13406]. I fråga [14237] diskuteras god vetenskaplig metod och dess motsats, pseudovetenskap.

Vad gäller fysikaliska modeller så är de förenklade bilder av verkligheten som hjälper oss att förstå världen omkring oss. Modeller är inte detsamma som verkligheten, men en bra modell skall beskriva observationer så bra som möjligt.

Några exempel på fysikaliska modeller

Grunden för alla fysikaliska modeller är observationer och experiment. För kosmologi kan vi t.ex. observera den kosmiska bakgrundsstrålningen, mäta heliumhalten i stjärnor med spektroskopi, se att universum expanderar med dopplereffekten och mäta ljusstyrkan hos supernovor. Allt detta tillsammans skall passa in i en acceptabel modell för universums utveckling och struktur.

För jordens inre har man skaffat sig kunskap genom att studera sesmiska vågor vid t.ex. jordbävningar, se fråga [1052]. Dessutom kan man ju analysera material som kommer ut vid vulkanutbrott.

Bohrmodellen, fråga [13733], beskriver atomen mycket förenklat. Den är en bra utgångspunkt men ger intrycket att elektroner rör sig i fixa banor.

Vätskedroppsmodellen är en enkel modell av atomkärnan som trots sin enkelhet förklarar förvånansvärt många egenskaper hos atomkärnor, se Vätskedroppsmodellen.

För att försöka förstå problemet med global uppvärmning använder man enkla och mycket sofistikerade klimatmodeller, se fråga [16846].

För gravitation använder man fortfarande oftast Newtons beskrivning även om Einsteins allmänna relativitetsteori är mer grundläggande och mer korrekt i vissa fall. Det är inte ovanligt att man använder olika modeller för samma fenomen, aningen för att räkningarna blir enklare eller för att man bara är intresserad av en viss aspekt hos fenomenet.

Objektivitet

Objektivt är något som inte beror på observatören, och detta är något man strävar efter i naturvetenskap. Om du står på marken och släpper en boll, så kan nog alla vara överens om att bollen faller till marken. Om du däremot ställer frågan "vilken färg har bollen?", så kan du tänkas få olika svar eftersom hur man uppfattar färger är något subjektivt (motsatsen till objektivt).

Hundraprocentig objektivitet är mycket svårt att åstadkomma eftersom man redan när man bestämmer hur ett experiment eller en observation skall utföras, så har man infört ett mått av subjektivitet.

Religion

Ja, det finns många exempel på naturvetare som trott på Gud. Einstein är ett exempel.

Stephen Hawking är däremot ett exempel på en forskare som anser att det inte finns något behov av en gud, se fråga [17334]. Carl Sagan hade en ganska avvisande attityd till religion.

Många naturvetare föreställer sig inte en personlig gud utan något mer abstrakt, kanske t.o.m. att man uppfattar naturlagarna som ett gudomligt väsen.

Se även Vetenskapsteori, länk 1 och FysikTeori_och_experiment.
/Peter E 2011-11-13

Svar:
Intressant fråga, så jag testade det genom ett litet experiment i vad som på engelska kallas "kitchen sink physics".

En möjlig förklaring är att vattnet faller fritt när det lämnar kranen. När hastigheten ökar måste därför strålens diameter minska för att vattnets volym skall bevaras. Vi använder formlerna för fallrörelse med konstant acceleration.

I figuren nedan syns att vattenstrålen definitivt bli tunnare allteftersom den rör sig nedåt.

Låt oss börja med några allmänna uttryck för likformig acceleration (konstant acceleration, t.ex. i tyngdkraftfältet), se AccelerationUniform_acceleration. Man brukar använda följande beteckningar för storheterna:

v sluthastighet (vid tiden t, m/s)

u begynnelsehastighet (vid tiden 0, m/s)

s sträcka (m)

a acceleration (m/s²)

t tid (s)

Acceleration definieras som (ändring i hastighet)/(tiden) dvs

a = (v-u)/t

Genom omgruppering får vi

v = u + at (1)

Medelhastigheten ges av

(u+v)/2 = s/t

vilket kan omgrupperas till

s = [(u + v)/2] t (2)

Vi använder (1) för att eliminera v från ekvation (2)

s = ut + at²/2 (3)

Slutligen använder vi (1) för att eliminera t i ekvation (2)

s = [(v+u)/2][(v-u)/a] = (v² - u²)/2a

vilket ger uttrycket

v² = u² + 2as (4)

VI kommer att använda ekvation (4) för att testa "fritt fall"-hypotesen.

Vi behöver först bestämma vattenflödet F. Vi gör detta genom att mäta tiden det tar att fylla ett enliters kärl. Det tog 90 sekunder, så flödet blir:

F = 1 [l]/90 [s] = 110^-3 [m³]/90 [s] = 1.1110^-5 m³/s

Genom att mäta diametern hos den grå adaptern (33 mm) kunde en kalibrering för mm/pixel på bilden åstadkommas (originalet är 4 gånger större än nedanstående bild). Därefter kunde alla avstånd mätas och omräknas till mm.

I tabellen nedan finns alla uppmätta och uträknade data: avstånd från startpunkten, strålens radie, hastigheten, fritt fall hastighet och differensen i hastighet.

____________________________________________________





D (mm) r (mm) v (m/s) vB (m/s) Differens (%)

 0 3.21 0.34 50 1.77 1.12 1.05 -6%

 94 1.47 1.62 1.45 -10%

____________________________________________________

Bevarande av flödet ger följande samband:

Av = p r²v = F

dvs

v = F/(p r²)

A är tvärsnittsytan, v är hastigheten och r är strålens radie.

För positionen D = 0 får vi t.ex.

v = 1.1110^-5/(p(3.2110^-3)²) = 0.34 m/s

Med hjälp av ekvation (4) ovan kan vi få ett beräknat värde på hastigheten om hypotesen fritt fall är korrekt:

v_B = sqrt(0.34² + 2g5010^-3) = sqrt(0.116 + 0.981) = 1.05 m/s

och

v_B = sqrt(1.12² + 2g4410^-3) = sqrt(1.25 + 0.86) = 1.45 m/s

Avvikelsen mellan de uppmätta värdena på hastigheterna och de som beräknats för fritt fall är -6% och -10%. Det är nog lite för stora avvikelser för att helt kunna förklaras som tillfälliga mätfel. Det tycks alltså komma in andra effekter, t.ex. ytspänning och laminär strömning, dvs att hastigheten inte är konstant över tvärsnittsytan, se Laminar_flow. Den svenska Wikipedia artikeln Laminär_strömning är ganska intetsägande, men innehåller ett kul skämt :-) (bildtexten till bilden med fiskar).

I länk 1 beskrivs ett liknande experiment. Man använder sig av Bernoullis ekvation, som emellertid ger exakt samma resultat som i ekvation (4). Länk 2 behandlar acceleration och fritt fall (v-t diagram).

____________________________________________________________________

För att undvika lokala effekter från kranen valdes nollpunkten en bit ner. Nedre punkten valdes lite ovanför 100 mm nivån eftersom bilden av strålen blir ganska otydlig.

/Peter E 2012-01-19

Svar:
Den undre pizzan är varmast. Anledningen är att bröd-delen av pizzan har dålig värmeledningsförmåga. Brödet verkar alltså som värmeisolation. Den nedre pizzan har ett lager bröd både nedåt och uppåt, medan fyllningen på den övre pizzan är fritt exponerad för omgivningen.

En del av avkylningseffekten är att vatten förångas från den varma pizzan. Eftersom detta kräver ångbildningsvärme kyls pizzan med samma effekt som gör att du fryser när du går ut ur duschen. Brödsidan innehåller mycket lite vatten medan fyllningssidan innehåller vatten. Det kan alltså hjälpa lite att täcka den övre pizzan med något vattentätt, t.ex. aluminiumfolie.

Den optimala transportmetoden är att lägga pizzorna med fyllningen mot varandra. Båda pizzorna omges då av ett värmeisolerande och torrt skikt. Nackdelen är att det blir kladdigt att separera pizzorna. Om man har pizzor med olika fyllning kan man emellertid få nya intressanta smakupplevelser. Och, framför allt, båda pizzorna är varma!

Se även fråga [16374].

/Peter E 2012-02-23

Svar:
Agnes! Med standardmodellen inom partikelfysik avses den modell som beskriver de minsta partiklarna och deras interaktioner (kraftverkningar) genom elektromagnetisk, stark och svag växelverkan med hjälp av kvantfältteori. Standardmodellen är en kvantmekanisk teori, men den är ingen heltäckande modell eftersom den inte innefattar gravitationskraften. Se bilden nedan och Standardmodellen.

Standardmodellen kom inte till genom att en person hade en bra idé. Den kom till genom att man under 50-60-talen med hjälp av allt större acceleratorer upptäckte fler och fler partiklar. Till sist blev det en förfärlig röra med partiklar. Då upptäckte några fysiker ett mönster i partiklarnas egenskaper genom att klassificera partiklarna med avseende på olika egenskaper. Man kunde då se att vissa platser i schemat var tomma. Då fick man en antydan till vad man skulle leta efter. Nu har man hittat alla partiklar i det ursprungliga schemat. Om det finns fler partiklar än de som omfattas av standardmodellen vet man inte.

I standardmodellen ingår två typer av partiklar, leptoner och kvarkar. Dessutom ingår higgspartikeln (som har att göra med elementarpartiklarnas massor) och kraftförmedlingspartiklar.

Lepton: Leptonerna är den ena huvudgruppen av fermioniska (med halvtaligt spinn) elementarpartiklar. Av leptoner finns det sex stycken aromer, vilka liksom kvarkarna delas in i tre familjer. Varje familj består av en partikel och tillhörande neutrino. Se Lepton.

En kvark är en elementarpartikel som tillsammans med en eller flera andra kvarkar bygger upp den grupp partiklar som kallas hadroner (t.ex. nukleoner och mesoner). Så vitt man vet idag är kvarkarna, tillsammans med leptonerna, materiens minsta byggstenar. Det finns sex olika typer av kvarkar, kända som aromer. Aromerna med den lägsta massan, uppkvarken och nedkvarken, är i allmänhet stabila och mycket vanligt förekommande i universum. Se Quark.

Den viktiga skillnaden mellan leptoner och kvarkar är att leptoner växelverkar bara med den svaga kraften medan kvarkar växelverkar med både den svaga och starka kraften.

Här är en kul föreläsning om hur atomer och kvarkar är uppbyggda:



Eftersom mycket få personer fullt ut förstår standardmodellen är dess praktiska betydelse mycket begränsad. Det ligger emellertid i människans natur att försöka förstå världen omkring sig, och för detta är standardmodellen tillsammans med big bang teorin mycket viktiga puzzelbitar. Även om man inte förstår teorierna fullständigt, kan det vär vara intressant att veta att universum är uppbyggt av kvarkar och leptoner och att universum skapades i en gigantisk explosion för 13.7 miljarder år sedan...? :-)

Ett annat skäl att bedriva avancerad forskning t.ex. på CERN är att man utvecklar ny teknik som kan användas för andra ändamål. Ett exempel är avbildning för medicinsk diagnos (PET, se Positron_emission_tomography).

Ett annan utveckling är när Tim Berners-Lee (Tim_Berners-Lee) på CERN ville åstadkomma ett informationssystem som forskarna kunde använda för snabb kommunikation av data och idéer. Det dröjde inte länge innan man insåg att detta system hade generell tillämpbarhet, och WWW (World_Wide_Web) var fött.

Avancerad forskning är även utmärkt för att utbilda nästa generations forskare, lärare, industriledare och entreprenörer.

Några negativa effekter av grundläggande forskning är svårare att hitta. Möjligen om man använder kunskapen till destruktiva tillämpningar, t.ex. vapen. Men då är det tillämpningarna som är destruktiva, inte kunskapen. Sedan kan man även hävda att frontilinjeforskning inom vissa områden (t.ex. partikelfysik, astrofysik) är dyr eftersom den kräver stora och avancerade apparater.

/fa

/Peter E 2012-11-26

Svar:
Svante! Din teori gäller bara om resistansen hos lamporna är konstant, dvs samma när de är tända som när de är släckta. Ledningarna bör normalt ha så litet motstånd att de inte påverkar spänningen.

Om du mäter resistansen för en släckt lampa med en ohmmeter så finner du att resistansen är c:a 40 ohm. För en 40 W lampa ansluten till 230 V blir resistansen

R = U²/P = 230²/40 = 1300 ohm.

Anledningen är helt enkelt att resistansen hos glödtråden ökar med temperaturen. Ju varmare glödtråd desto högre resistans. När man tänder lampan får man under en mycket kort stund mycket hög ström. Effekten i en kall glödtråd blir

P = U²/R = 230²/40 = 1300 W

På en bråkdel av en sekund stiger temperaturen och motståndet tills ett jämviktsläge med effekten 40 W inställer sig.

Strömmen blir enligt Ohms lag

I = U/R = 230/1300 = 0.18 A.

Vad händer om man seriekopplar två lampor? Om resistansen vore densamma skulle vi få strömmen

I = U/(2R)

Men eftersom strömmen är mindre blir även uppvämningen mindre. Du får då en lägre resistans än 2R, så strömmen blir mer än hälften av värdet med en lampa. Detta är precis vad du observerade.

Lägg märke till att lampor uppför sig helt annorlunda än resistorer! Resistorer har konstant resistans eftersom man normalt inte låter strömmen bli så hög att de värms upp till höga temperaturer.
/Peter E 2012-11-26

Svar:
Fysik bygger på observationer. I bästa fall kan dessa beskrivas med matematik. "Förstå" fysik kan man inte, men ett förhållandevis begränsat antal lagar beskriver det mesta ganska väl.

Maxwells fyra ekvationer tillsammans med Lorenz-kraften är tillräckligt för att härleda alla effekter i klassisk elektromagnetism, se [13822], Maxwell's_equations och Lorentz_force.

Induktionslagen beskrivs av Maxwells ekvation nr 2 och säger att den inducerade spänningen är proportionell mot ändringen per tidsenhet hos det omslutna magnetfältet.

Vad gäller din fråga om en ledare som rör sig i ett magnetfält så kan du tänka så här. Ledaren innehåller fria laddningsbärare - elektroner med laddningen e. Elektronerna påverkas när den rör sig med hastigheten v av magnetfältet B med den magnetiska delen av Lorenz-kraften

F = e vxB.

Kraften är alltså riktad vinkelrätt mot B och v och förskjuter laddningarna i kraftens riktning. Det bildas ett överskott på laddningsbärare vilket skapar en spänning. Om kretsen är sluten får man då en ström.

Faradays skivgenerator

visar att man genom att övertolka Faradays induktionslag kan få orimliga resultat. Nedanstående bild är från Electromagnetic_induction"Counterexamples"_to_Faraday's_law.

Faradays lag gäller för slutna kretsar med tunna ledare, men den kan skapa problem om den tillämpas i andra sammanhang.

Den ledande skivan roterar med vinkelhastigheten w. Radien sveps alltså genom det statiska magnetfältet B. Den magnetiska delen av Lorenz-kraften
vxB skapar en ström i radiens riktning till kanten av den ledande plattan (radien är vinkelrät mot både v och B). Därifrån kompletteras kretsen genom kontaktdonet i nederkanten och rotationsaxeln. Denna konstruktion genererar en konstant spänning/ström även om kretsen, och därmed magnetfältet, är oförändrad i tiden.

/Peter E 2014-01-12

Svar:
En nuklid (kärna med en viss uppsättning neutroner/protoner ^Z+NZ) befinner sig i ett exciterat tillstånd om den har överskottsenergi jämfört med det lägsta tillståndet - grundtillståndet. Exciterade tillstånd sönderfaller normalt mycket snabbt till grundtillståndet genom gammasönderfall.

Även om man inte skall övertolka Bohr modellen (fråga [13733]) så är det korrekt att för atomära tillstånd med högre huvudkvanttillstånd är avståndet till atomkärnan i medeltal större.

Det är två stora skillnader mellan elektroner i en atom och nukleoner i en atomkärna:

1 I fallet elektroner skapas potentialen som bestämmer rörelsen i huvudsak av atomkärnans laddning. I fallet nukleoner skapas potentialen av nukleonerna själva. Detta ger en besvärlig återkoppling mellan tillstånd och potential.

2 För elektronerna är det den välkända coulombkraften som är kraftverkan. För nukleoner är det en mycket komplex tillämpning av den starka kraften, se fråga [1720]. Framför allt finns det en mycket stark repulsiv komponent för små avstånd mellan nukleoner.

Nukleoner har en radie av storleksordningen 1 fm. Atomkärnor är inte mycket större, så nukleonerna är tätt packade, se nedanstående bild. Detta betyder att nukleonerna kolliderar hela tiden. Därför är det faktiskt ganska förvånande att en skalmodell för atomkärnor överhuvud taget fungerar (Nuclear_shell_model). Nukleonerna borde kollidera hela tiden, och inte ge en skalstruktur.

Anledningen till att skalmodellen fungerar så bra som den gör är att nukleonerna är fermioner och måste lyda pauliprincipen (se fråga [18298]), vilket betyder att många av de sluttillstånd som nukleonerna kan spridas till är blockerade - de innehåller redan en nukleon. Detta betyder av den fria medelväglängden för en nukleon i en kärna är mycket större än man skulle vänta sig.

De ständiga kollisionerna mellan nukleoner i kärnan medför även att vågfunktionen för kärnnivåer ofta är mycket komplicerad till skillnad från atomära tillstånd som oftast består av ett rent bastillstånd. Detta betyder att teoretiska beräkningar av kärnnivåer är mycket mer osäkra än för atomära nivåer. Detta betyder att man inte lika enkelt som för elektrontillstånd kan identifiera en viss nivå i kärnan med en viss konfiguration (en uppsättning nukleoner i givna tillstånd). Genom att studera kärnreaktioner och sönderfall kan man i många fall bestämma spinn och paritet för nivåer, och detta begränsar vilka konfigurationer som kan bidra till nivån.

Se även fråga [15482].

/Peter E 2014-02-07

Svar:
Ja, vattnet kan frysa. Det finns två effekter som kan kyla vattnet så det fryser: utstrålning och förångning.

Om det är molnfritt är det nästan ingen instrålning av värmestrålning (infrarött/mikrovågor) från himlen. Utstrålningen är emellertid vad som motsvarar 1^oC. Det betyder att vi har mer utstrålning än instrålning: temperaturen hos vattnet sjunker. Se vidare fråga [7130].

Om omgivande luftfuktigheten inte är för hög kommer en del av vattnet att förångas. Detta kräver en energi på 2260 kJ/kg ([14203]). Energi tas alltså från vattnet för att sänka temperaturen (2.1 kJ/kg.K) och bilda is (333 kJ/kg). Denna effekt används i snökanoner, se fråga [15592].
/Peter E 2014-08-11

Svar:
I fysik kan man inte besvara varför-frågor: naturen är helt enkelt så! I bästa fall kan man beskriva ett fysikaliskt fenomen på olika sätt eller se likheter med andra fenomen. I allmänhet använder man matematik för detta.

Kvantmekanik (se fråga [14754]) beskriver atomära och subatomära system. Kvantmekanikens förutsägelser vad gäller observerbara storheter utomordentligt exakta, men en djupare tolkning av teorin saknas fortfarande. Einstein kritiserade kvantmekaniken (trots att han var en av upphovsmännen) framför allt för att den är ofullständig. Speciellt att den endast kan förutsäga statistiska storheter: om en atom kan sönderfalla på två sätt kan man bara förutsäga sannolikheten till varje tillstånd - inte vilken väg en individuell atom skall sönderfalla.

Här är den välkände fysikern Richard Feynman när han försöker (och misslyckas) förklara magnetism:



Lika magnetiska poler stöter bort varandra och olika poler attraherar varandra. Ett sätt att uttrycka detta är att magneterna strävar efter minimal energi. Detta är likt (men lite annorlunda) att en boll du håller i handen har en potentiell energi som kan omvandlas till rörelseenergi om du släpper den. Men, som sagt, det är ingen förklaring, bara en alternativ beskrivning av vad som sker.

Se vidare fråga [14849], [15625] och [13877].
/Peter E 2015-01-12