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.
2000-03-30

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_bulbEfficiency_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

Har snabbt etablerat 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 2003-09-03

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 kraftensträckan. Totala effekten blir då

2006009.81 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/(36524)=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

0.99.8110726810³ = 250 MW

alltså ungefär 1/4 av maxeffekten.
/Peter Ekström 1998-11-11

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:
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 vt. Volymen är alltså Avt och om luftens densitet är r blir massan av luftcylindern

m = rAvt

Kinetiska energin för en kropp med massan m är

E = mv²/2

Den under tiden t tillgängliga energin är då

E = rAvtv²/2

Den utvecklade effekten P är E/t

P = E/t = rAvv² = rAv³/2

Den totalt tillgängliga effekten ökar alltså med kuben på vindhastigheten.

Om längden på rotorbladen är r så blir ytan A = pr². P ges då av

P = rpr²v³/2

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%27s_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 2009-11-22

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.

Låt 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

Svar:
Ja, det kan man fråga sig! Som det är formulerat är det inget annat än en värmepump. Med en värmepump kan man genom att utföra arbete överföra mer värme än tillfört arbete från en kall reservoar till en varm, se fråga [18487] och [18257].

Värmefaktorn (COP, Coefficient Of Performance) för en värmepump ges för en ideal process (Carnot) av

COP(värmepump) = T_H/(T_H-T_C)

Om man sedan vill använda värmen från den varma reservoaren för en motor (värmemotor) som kan driva oceanångaren så är verkningsgraden

h = (T_H-T_C)/T_H

(se fråga [15817])

Om vi nu seriekopplar värmepumpen och motorn får vi den totala verkningsgraden

COPh = 1.

Detta betyder att vi får ut precis den effekt vi puttar in. Observera att vi hela tiden talar om ideala processer utan förluster. I verkligheten vore ovanstående framdrivningsmetod vara mycket olönsam.

Se fråga [15733] för mer om termodynamikens huvudsatser och evighetsmaskiner. Länk 1 innehåller en ganska enkel framställning om termodynamikens andra huvudsats:

So the second law, in words, is just the statement that these two things are impossible. that is:

1. It is impossible for heat to move spontaneously from a cold body to a hot body with no other result.

2. It is impossible to convert heat quantitatively into work with no other result.

The latter statement is sometimes phrased: "It is impossible to make a perpetual motion machine of the second kind."
(A perpetual motion machine of the second kind is a machine that converts heat into work without doing anything else. Imagine an ocean liner that scoops up liquid water out of the ocean, pulls the heat out of the water and uses it to power the ship, and dumps the left-over ice cubes out the back of the ship.)

Note that a perpetual motion machine of the second kind would not violate the first law. Energy would be conserved because any heat extracted would be converted into work.

The second law is why automobiles have radiators. Someone might ask why we throw away all that energy that dissipates from the radiator. Why not capture the energy and use it do decrease our gas mileage? The answer is that if you don't dissipate the heat the engine burns up, as you would quickly find out if you bypassed the radiator with a hose or if you drained the coolant from the radiator.

Termodynamik är läran om energi, dess omvandling mellan olika former och särskilt samspelet mellan värme och arbete. Den klassiska termodynamiken studerar kopplingen mellan makroskopiska egenskaper som temperatur, volym och tryck hos system samt hur dessa påverkas och förändras genom termodynamiska processer. (Termodynamik)

Länk 2 innehåller övningar/svar i termodynamik.
/Peter E 2014-11-29

Svar:
Hej Josefin/Albert!

Förluster i batteriet brukar parametriseras genom att batteriet får en inre resistans R_i, 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 = -aI² + bI (1)

där a och b är fria parametrar.

Om vi tillämpar Kirchhoffs spänningslag på kretsen
(se Kirchhoffs_lagarKirchhoffs_spänningslag) får vi

EMS = R_iI + RI

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

Utvecklade effekten i tråden är

P = UI = RII = (EMS-R_iI)I = EMSI - R_iI²

dvs

P = -R_iI² + EMSI (2)

Om vi jämför (1) och (2) kan vi identifiera

a med inre resistansen R_i och

b med batterispänningen utan belastning EMS.

Vi får alltså R_i=0.376 &937; och EMS=1.304 V.

För maximal effekt kan vi derivera uttrycket (2):

P´ = -R_iI2 + EMS

För maximum skall P´ vara noll:

I_max = EMS/(2R_i) = 1.304/(20.376) = 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 R_i. 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) =
RI²/(RI²+R_iI²) =

R/(R+R_i) =
1/(1+R_i/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=10R_i 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 2017-05-11

Svar:
Nej, doppvärmaren är mer effektiv än mikrovågsugnen för att värma en vätska. Doppvärmaren är däremot värdelös på att värma pizzan. :-)

Enligt Microwave_ovenHeating_efficiency är verkningsgraden för att producera mikrovågor 64%. Sedan försvinner en varierande del i form av mikrovågor som inte avlämnar sin energi till det man vill värma. För annat än vatten kan denna andel vara ganska hög. Detta är anledningen till att man inte skall köra mikrovågsugnen utan något uppvärmbart (helst innehållande vatten). Förlusterna blir till värme hos ugnen och i magnetronen.

En doppvärmare har däremot en verkningsgrad på nära 100% om den är korrekt monterad, se länk 1. Det finns alltså inget skäl att byta uppvärmningsmetod för varmvattenberedare.

Vi bortser från verkningsgraden vid produktionen av elektricitet (30-90%).
/Peter E 2018-04-05