Från Rilpedia

Energiprincipen, lagen om energins bevarande, är en empiriskt grundad fysikalisk lag enligt vilken energi inte kan skapas eller förintas. Det är då underförstått att det är ett slutet system, eftersom i öppna system kan energi överföras eller hämtas från omgivningen. Ett öppet system + omgivningen representerar dock ett slutet system, och energiprincipen gäller åter igen. Det innebär att en minskning av en sorts energi alltid åtföljs av en ökning av en annan sorts energi. En (tänkt) maskin som bryter mot denna naturlag brukar kallas en perpetuum mobile av första slaget.

Energiprincipen formuleras vanligtvis med en ekvation. Termodynamikens första huvudsats formulerar samma förhållande som ett verbalt påstående.

En formell definition kan vara:

Värmen som flödar in till ett system är lika med summan av ändringen i inre energi plus arbete som uträttas av systemet.

Energiprincipen är ett postulat som enligt Noethers teorem motsvarar naturlagarnas tidsinvarians.

Se även termodynamikens huvudsatser.

Innehåll 1 Historik 2 Klassisk mekanik 3 Energi, värme och arbete 4 Aspekter

Historik

Den grekiske filosofen Thales från Miletos (635 f.Kr.–543 f.Kr.) kan nog anses vara en av de första som föreställde sig att naturen har någon form av bevarande. Han var den förste kände som försökte förklara naturens mångfald med någonting inuti naturen och inte utanför. Men energiprincipen formulerades först av den tyske läkaren Julius Robert von Mayer (1814-1878) i artikeln "Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur" i tidskriften Annalen der Chemie und Pharmacie, 43, 233 (1842). Upptäckten gjordes då han var på en sjöresa, då han fann att vissa patienter hade rödare blod, eftersom de konsumerade mindre syre, för att hålla högre kroppstemperatur i kallare klimat. Han insåg att värme och arbete är båda varianter av energi, och kunde senare beräkna kvantitiva förhållanden när han hade börjat sätta sig in i fysiken. Året därefter, 1843, presenterade James Prescott Joule sina experiment där han kommit fram till samma slutsatser.

Klassisk mekanik

I Newtons mekanik är kinetisk energi E_kin = ½mv², där m är en kropps massa och v dess hastighet. Vid en elastisk stöt mellan två eller fler kroppar är summan av alla kinetiska energier bevarad. I kraftfält finns det även potentiell energi. Nära jordytan kan denna lägesenergi beskrivas med E_pot = mgh, där g är tyngdaccelerationen och h höjden över en referensyta. Vid fritt fall är summan av rörelseenergi och lägesenergi konstant. En mekanisk pendel oscillerar mellan tillstånd med hög potentiell energi och ett tillstånd med hög rörelseenergi. En annan form av potentiell energi är elastisk energi, som i en fjäder. En kraft F utför mekaniskt arbete på en kropp, betecknat som en energi W = F s, där s är sträckan som kroppen förflyttades. SI-enheten för energi är joule = newton·meter = kg·m²/s². Friktion gör att mekanisk energi inte är bevarad, utan övergår i värmeenergi.

Energi, värme och arbete

På senare tid brukar man säga att olika former av energi är samma sak. Man har valt att definiera krafter utifrån att partiklar växelverkar med varandra. Krafter uppstår genom utbyte av små energikvanta, exempelvis via fotoner eller en variant av fotoner, kallat fononer. Men tidigare har man, åtminstone inom termodynamik, via experiment valt att indela överföringen av energimängder i kvantiteterna värme(t) och arbete. Denna klassificering är tekniskt användbar, eftersom den anger vad som blir värme och vad som går att nyttja.

Värme motsvarar en oordnad energimängd, representerad av exempelvis gasmolekyler som rör sig i slumpvisa riktningar. Värme överförs naturligt från det varmare mediet till det kallare. I de flesta fall vill man alltid minimera överföringen av värme. Samtidigt vill man maximera arbetet, eftersom denna energimängd översätts till rörelse i motorer, elektricitet i kraftverk, o.s.v. Arbete kan sägas vara en "ordnad energimängd", vad det nu kan vara. Systemets energi är summan av de båda.

E = Q + W (energiprincipen)

(energiprincipen på differentialform)

Här representerar dE en infinitesimal förändring av systemets energi, framkallad genom en infinitesimal mängd av arbete och en infinitesimal värmeöverföring . Användningen av förklaras nedanför.

Ett system som övergår från tillstånd 1 till 2 förändrar sin energi med ΔE = Δ(Q + W). ΔE (och därmed Δ(Q + W)) är helt klart bestämbara – en bergsklättare som startar från marken och ska upp till toppen ökar sin energi oavsett hur han tar sig upp. Men varken Q eller W är ensamt fullt bestämdbara; om en klättrare tar helikoptertransport upp till bergstoppen, och när den "traditionella" bestigaren klättrar upp för hand, har båda förändrat sin energi med ΔE, men helikopterfärden har förbrukat större mängder. Q och W är beroende på hur tillståndförändring från tillstånd 1 till 2 äger rum, och därför indikeras detta med .

Teckenkonventionen här är (som den normala) att Q är värme som tillförs systemet, W är arbetet som uträttas på systemet (+ om systemet kan nyttjas, - om systemet måste laddas upp).

Aspekter

I ett värmeaggregat eller kakelugnar är syftet att förvandla så mycket som möjligt av elden till värme, istället för arbete som går åt att lyfta upp röken genom skorstenen. Men däremot en glödlampa ska optimeras i motsats: där vill man minimera Q så att lampan nyttjar så mycket som möjligt av elektriciteten i att excitera elektronerna, som sedan sänder ut ljus (än för att värme i glödtråden är huvudorsaken till att ljus genereras).