Energi er et af de vigtigste begreber overhovedet i fysik. Du kender sikkert begrebet for fødevare. På den her mælk, der står der noget om dens energiindhold. Der står fx, at der er 154 kilojoule for hver 100 gram. Men hvad har det med fysik at gøre?
Og hvad er energi egentlig? Det er et godt spørgsmål. Energi er en fysisk størrelse.
Den benævnes ofte med bogstavet E. Typiske måleenheder er f.eks. kalorier eller kilokalorier, som vi kender fra fødevare. S i enheden er dog Joule. Det viser sig faktisk, at energi er et meget abstrakt begreb, og for at forstå det, kan det være en god idé at se på, hvordan fysikere overhovedet har fundet på, at der er noget, der hedder energi.
Fysikere begynder at tale om energi i 1800-tallet. I 1800-tallet bliver dampmaskinen for alvor taget i anvendelse, og hele samfundet begynder at overgå til produktion med maskiner, fabrikker osv. Man taler om industrialiseringen. En dampmaskine virker ved, at man brænder kul af og derved opvarmer vand, som fordamper. Dampens tryk kan bruges til at få ting til at bevæge sig, det vil sige til at få maskinerne til at udføre arbejde.
Fysikerne var interesserede i at forstå, hvordan de her maskiner virker i teorien, og hvordan man kunne gøre det mere effektivt. Inden da havde man undret sig over et andet spørgsmål, nemlig spørgsmålet om, hvad varme er. Varme kender vi alle sammen. Vi ved, hvordan det føles.
Men hvad er varme? Hvad er det, der fysisk set gør, at noget er varmere end noget andet? Historisk set havde man som udgangspunkt to teorier om varme.
Kalorikteorien og den dynamiske teori. Ifølge kalorikteorien var varme et stof, ligesom et kemisk stof. Denne teori blev bl.a.
fremført af franskmand Lavoisier. Han levede fra 1743 til 1794 og var en af grundlæggerne af den moderne kemi. Han var fx den første, der fandt ud af, at hydrogen, oksygen og svol var grundstoffer. Inspireret af dette mente han også, at varme var en slags stof.
Kalorik. Når man tilførte kalorik til noget, blev det varmere. Når man fjernede det, blev det koldere.
Den dynamiske teori sagde derimod, at varme ikke er et stof med nærmere en form for bevægelse. Man kendte ikke til atomer i moderne forstand på dette tidspunkt. Men man havde en idé om, at stof på det mikroskopiske plan måtte bestå af et eller andet.
Ifølge den dynamiske teori var varme et udtryk for bevægelse i disse mikroskopiske bestanddele. Dette svarer i øvrigt meget godt til den opfattelse, vi har af varme i dag, hvor man er gået helt væk fra kalorikteorien, altså teorien om varme som et særligt stof. Et af modargumenterne for kalorikteorien kom fra den britiske Benjamin Thompson.
Han er også kendt under navnet Greve Rumford, da han på et tidspunkt i sit liv blev gjort til adelsmand. Han havde erfaring fra militæret og vidste noget om, hvordan man lavede kanoner. Når man laver en kanon, borer man hul i en cylinder af metal, som derved bliver ekstremt varm. Her ser vi et tilsvarende eksperiment. I videosekvensen her borer jeg hul i en mini-udgave af en kanon, det vil sige en lille metalcylinder, som jeg spænder fast til borepladen, og så borer jeg hul i den med en boremaskine.
Når det er gjort, putter jeg den ned i et glas med vand. Vi kan se, at temperaturen stiger. Eksperimentet viser altså, at bevægelse kan omdannes til varme.
Der var andre tilhængere af den dynamiske teori, bl.a. en engelsk brygger ved navn James Prescott Jewell, der studerede fysik og lavede eksperimenter som en slags hobby. Omkring 1840 opdagede han, at elektricitet også kunne omsættes til varme.
Han udførte bl.a. et forsøg, der dybest set svarer til en moderne LK. I en LK sidder et varmeleme som egentlig bare en tyk ledning, som der går elektrisk strøm igennem. Derved bliver ledningen varm, og den opvarmer vandet. Der var altså ikke bare en forbindelse mellem varme og mekanisk bevægelse, men også mellem varme og et helt andet fysisk fænomen, nemlig elektricitet.
Jules undersøgelser stoppede dog ikke der. Hans mest berømte eksperiment handlede om en anden måde at opvarme vand på. Han forbandt et tungt metallod til en slags propel, placeret i en varmeisoleret beholder med vand. Når metallodet trækkes nedad af tyngdekraften, sættes propellen i bevægelse, og vandets temperatur stiger en lille smule.
Joule havde meget nøjagtige termometer til rådighed og kunne måle temperaturstigning. Eksperimentet viste, at der var en simpel matematisk sammenhæng mellem temperaturstigning og den afstand, som lodet falder. Poenget er, at selve ændringen i lodets beliggenhed, positionen af det over jordoverfladen, kan omdannes til varme. Der begynder at tegne sig et billede. Bevægelse kan omdannes til varme.
Elektricitet kan omdannes til varme. Beliggenhed kan omdannes til varme. Det begynder at gå for fysikerne, at det giver mening.
At betragte alle disse processer som omdannelser er den samme ting. Energi. Vi siger, at noget, der bevæger sig, har energi. Elektrisk strøm transporterer energi. Når vi hæver noget op over jorden, får det energi.
Og varme er energi. Energi er altså en egenskab ved fysiske systemer, som kan vise sig i mange forskellige former, og disse former kan omdannes til hinanden. Vi har sprunget matematikken over her, men det er en vigtig pointe, at energi er en størrelse, vi kan sætte tal på. Det viser sig også, at uanset hvilken proces vi betragter, er dette tal uændret. Uanset hvilke former energien omdannes fra og til, så er der den samme totale mængde energi til stede.
Man siger, at energi er en bevaret størrelse. Dette fortæller os også, at selvom energibegrebet på en måde bare er et abstrakt teoretisk begreb, vi har fundet på, noget som vi ikke rigtig kan se, så er der noget fundamentalt ved det. Det er ikke tilfældigt, hvor meget eller hvor lidt energi der omdannes i en given proces. Energi kan ikke opstå ud af ingenting, og det kan ikke forsvinde ud af ingenting. Der er hele tiden den samme totale mængde energi til stede. Det er en grundlæggende regel i naturen, det vi kalder en naturlov.
Man kan ovenikøbet tillade sig at sige, at loven om energibevarelse Faktisk nok er den vigtigste fysiske lov overhovedet.