Oplæg til eksamen. Det handler om termisk energi i dag. Jeg har mit talepapir parat. Jeg skal i dag tale om termisk energi.
Jeg vil starte med at fortælle om energi generelt. Energi findes i mange former. Solen stråler og kommer ned til jorden i form af solenergi. Elektromenergi og solenergi, eller lysenergi, kan gennem fotosyntese blive omdannet til kemisk energi i planterne. Når vi har planter, så kan vi fx få træ, vi kan få brænde, og når vi brænder det af, så bliver det til termisk energi, og det kan vi så igen omforme til andre energiformer.
Hvad der er gældende for universet, det er, at energimængden i universet er altid bevaret, men energiformer kan altid omdannes til andre energiformer, og så kan vi så undersøge, hvad det bliver omdannet til. Når vi i vores verden snakker om energitab, så betyder det sådan set ikke så, at energien er tabt, men det betyder alene, at energien er blevet omdannet til energiformer. som vi ikke kan bruge længere.
Men jeg vil starte med at fokusere på termisk energi og hvad det er. Og termisk energi er sådan set to områder. Det ene er, når bevægelserne på atomatniveau bliver større og større, så stiger den indre værdi, den termiske energi. Så snakker vi termisk energi, så er det dels bevægelse, På atomniveau. Og så er det også, når stof indstrømmer strukturer.
Og det er det, vi kalder faser. Faseskift. Hvis vi lige starter med temperatur, så har vi to temperaturskalaer, vi bruger. Den ene hedder Kelvin-skalaen.
Det er en absolut skala. Den starter med 0 Kelvin. Det er den laveste temperatur, man kan have.
Vi noterer her 273,15 og 373,15 Kelvin. Og så har vi vores grader centius, og der er minus 273. 0,15 grader Celsius, det er det koldeste, det vi kalder det absolutte nulpunkt. Så er 0 grader Celsius, det er 273 Kelvin og 100...
1 grad Celsius er det, der svarer til 373,15 Kelvin. Og der kan vi så se, at 1 Kelvin, hvis det er en temperaturændring, svarer til 1 grad Celsius. Når vi kalder den her temperatur for...
Det er 0 Kelvin for den absolute nulpunkt, så er det fordi, det er der, når atombevægelser ophører. Kigger vi på et fast stof, der kunne sidde i en gitterstruktur, så vil vi observere, at atomerne ikke længere vil stå og vibrere. De vil stå helt stille, hvis vi i princippet kunne opnå det absolute nulpunkt. Vi kan ikke komme helt derned, men vi kan komme rigtig tæt på. Når vi så tilfører energi, så vil atomerne vibrere.
mere og mere, og på et tidspunkt så vil der ske et faseskift. Og det kræver energi. Og det når man ved 0 grader Celsius, hvis det er for vand, så har vi det, vi kalder smeltepunktet.
Vi kalder det også frysepunkt. Og der vil molekylerne så kunne bevæge sig frit rundt mellem hinanden. Vandet vil tilpasse sig, den beholder det her i, men de kan frit skifte position.
Og tætheden er faktisk, når vi snakker om vand, cirka en dal... Det er lidt større, end det er, når vandet er på fast form, når det er is. Når vandet når sit kågepunkt, 100 grader Celsius, så kan det ikke længere eksistere ved en atmosfæres tryk som væske, og så vil det blive til gasform, og så vil...
Vandmolekylerne bevæger sig som enkeltmolekyler, og de kan bevæge sig frit rundt og udfylde et hvert tområd. Hvis det var en eddelgas, så ville det være enkeltatomer, man havde, der bevægede sig rundt. Rent energimæssigt kræver det energi at stige i temperatur, og det kræver energi at gå fra fast til flydende, og det kræver energi at gå fra flydende til gasform.
Tilsvarende kan man få energien tilbage, man kan trække energi ud af det materiale man har, hvis man... går nedad i temperatur, eller hvis man går fra gas til flydende og fra flydende til fast. Så man altså fortætter, og her når man fryser, hvis det er vand.
Lad os prøve at lave en graf, der viser noget omkring energien. Jeg vil lave en graf, hvor der står noget med temperatur her, og så kommer der til at stå noget med energi, der er tilført udad her. Vi tager en fast mængde vand. Vi starter hernede ved måske minus 100 grader.
og tilfører energi, og så vil temperaturen stige, indtil vi når 0 grader. Når vi er 0 grader, så bliver energien ikke længere brugt til temperaturstigning, så bliver den brugt til at smelte, og vandet vil smelte, indtil alt vand er smeltet. Og nu vil temperaturen så begynde at stige på vandet, indtil vi når 100 grader Celsius. og der vil vandet så nå kåepunktet.
Vandet vil gå fra viske til gæst. og når alt vandet er blevet til gas, så vil gassen kunne blive varmet op. I skal lægge mærke til, at de tre hældninger her er ikke det samme, for varmekapaciteten af fast, flydende og vand på gasform er forskellig.
Læg mærke til, at det her stykke er relativt kort i forhold til det stykke her, og det er fordi, det kræver væsentlig mere energi at fordampe vand, end det gør at smelte et stykke is. Så det var sammenhængen mellem energi og temperatur. Når vi nu har den fase, hvor der er opvarmning i, der kan vi jo så kigge på en graf, hvor vi har sammenhængen mellem... hvis det er temperaturstigning, altså det er de skrå stykker her, mellem den tilførte energi og hvor meget temperaturen ændrer sig, så jeg skriver delta T her i grader Celsius, så vil den se sådan her ud, og rent matematisk, Dramatisk hedder den, at energien, der skal til for at varme noget op, er lige med m gange c gange delta t, temperaturændringen. Og der vil hældningen på grafen så være m gange.
C, hvor C her står for den specifikke varmekapacitet. Kigger vi på det område, hvor der sker en smeltning, så vil den se ud sådan her. Så kigger man på, hvor meget der er smeltet. Så jeg skriver delta M for den. mængde, der er smeltet, og her skriver jeg så den tilførte energi.
Jo mere der skal smeltes, jo mere energi kræver det. Og der hedder formen af energi alligevel m gange l. Og så kalder man den ls for at smelte, eller lf for at fordampe. Og i det her tilfælde, der vil hældningen så på den her graf altså være vores smeltevarme eller fordampningsvarme, hvad nu vi undersøger. Vi har lavet et forsøg med vandspecifikke varmekapacitet.
Vi har bestemt vandspecifikke varmekapacitet. Jeg fjerner lige de grafer her. Og det forsøg vi lavede, der tog vi en elkedel og tilførte noget energi fra en stikkontakt.
Og så undersøgte vi, hvordan temperaturen udviklede sig. Vi fik, at temperaturen udviklede sig med temperaturen steg, så vi havde delta T her, og den så sådan her ud. Ud fra den bestemte vi en værdi for vandspecifikke varmekapacitet, og i vores forsøg fandt vi C-vand.
var lige med 4500 joule per kilo gange grad centius. Den værdi sammenlignede vi så med vores tabelværdi, og den er for vand. Lige med 4.186 joule per kilo gange grad centius. Og den er jo så noget for høj, men det var også det, vi havde forventet, fordi vi havde ikke medregnet selve kædlen, da vi udregnede vores værdi.
Og vi ville også regne med, at der var et vist energitab til omgivelserne. Vi havde regnet med, at det her var et system, hvor vi tilførte systemet energi i form af elektrisk energi, der kom ind i systemet. Og der vil jeg så lige nævne... Det, der egentlig er grundlaget for, at man laver sådan en forsøg her, sådan rent teoretisk, varmelærerens første hovedsætning, den siger, at hvis man har et isoleret system, så vil, og der sker en ændring af energien i systemet, jamen så kan den samlede ændring altid svare til den mængde termisk energi, der er tilført, og det arbejde, der er udført på systemet. Og den er selvfølgelig i tråd med, at energien altid er bevaret.
Der opstår ikke noget, der kan ikke på magisk energi komme mere energi i et system. En anden ting, vi kiggede på i den sammenhæng her, hvor vi kiggede på vores elkæde, det var, at vi beregnede en effektivitet for elkæden. Hvor effektiv er den til at opvarme det her vand?
Der brugte vi det, vi kalder effektivitet eller nyttevirkning, som hedder, at det er e-nyttig divideret med e-tilført. Og hvis man regner det ud, så får man en effektivitet i det her tilfælde på, der er cirka lige med 0,90. Og hvis man ganger med 100 procent. så svarer det til ca. 90%.
Så det betyder, at når man bruger opvarme og vand i en elkedel, så er effektiviteten ca. 90%, og det er ganske godt. Havde vi brugt en gryde, så ville energitabet til omgivelserne have været betydeligt større.
Så det var det, jeg havde valgt at præsentere i forbindelse med min fremlæggelse af termisk energi.