5 Energi: 5.5 Mekanisk energi
Ej bevarad mekanisk energi
Ej bevarad mekanisk energi
Energiprincipen säger att energin alltid bevaras, men den mekaniska energin bevaras nästan aldrig. Oftast fisnns det både friktion och luftmotstånd som omvandlar en del av den mekaniska energin till termisk energi.
Ett vattendrivet energiverk omformar potentiell energi i vatten till elektrisk energi. Se figur 5.19. När en vattenmassa \( m \) är på en höjd \( h \) över en nollnivå, har vattnet den potentiella energin \( W_\text{p} = mgh \) i förhållande till nollnivån. När vattnet faller genom ett rör blir det energi förluster. Så kommer vattnet ut ur röret med stor kinetisk energi och träffar en turbin. Här blir det också energiförluster, för all kinetisk energi i vattnet låter sig inte omvandlas till kinetisk energi i turbinen. Men turbinen är konstruerad så att vattnet har lägsta möjliga hastighet när det rinner ut ur turbinen. Turbinen driver en elektrisk generator som omvandlar kinetisk energi till elektrisk energi.
Vi räknar med att moderna kraftverk kan omvandla cirka \(90 \ \% \) av vattnets potentiella energi till elektrisk energi. I just den här energiomvandlingen "läcker" resten ut som termisk energi.
Vi kan få ett mått på hur effektiv energiomvandlingen är genom att jämföra den tillförda energin (\( W_{\text{tillförd}} \)) med den nyttiga energin som blir resultatet efter energiomvandlingen (\( W_{\text{nyttig}} \)). Förhållandet mellan nyttig energi och tillförd energi kallas verkningsgrad.
Effektiviteten hos en maskin kan uttryckas som en kvot mellan den nyttiga och den tillförda energin. Denna effektivitet kallas verkningsgrad \( \eta \) \[ \eta = \frac{W_\text{nyttig}}{W_\text{tillförd}} \]
\( \eta \) (den grekiska bokstaven eta) har ingen enhet eftersom vi dividerar två energier med varandra. Verkningsgraden brukar anges som ett decimaltal eller i procent.
Vattenföringen till turbinerna är \( 275 \text{ m\(^3\) } \) per sekund, och fallhöjden är \(107 \text{ m} \) i ett av Sveriges mäktigaste vattenkraftverk. Varje sekund tillförs den samlade vattenmassan \[ m = \rho V = 1 \ 000 \cdot 275 \text{ kg} = 275 \cdot 103 \text{ kg} \]
I magasinet har detta vatten potentiell energi, \[ W_\text{p} = mgh = 275 \cdot 10^3 \cdot 9{,}82 \cdot 107 \text{ J} = 289 \text{ MJ} \]
Den elektriska energin från generatorerna är \( 266 \text{ MJ} \).
Vi kan nu beräkna verkningsgraden genom att jämföra storleken på energierna. \[ \eta = \frac{W_\text{nyttig}}{W_\text{tillförd}} = \frac{266}{289} = 0{,}92 = 92 \ \% \]
Så länge vi fortsätter att använda så mycket energi som vi gör, måste vi hämta den från något ställe. Vattenenergin är ren och förnyelsebar. Den är ju omformad solenergi eftersom det är solen som driver vattnets kretslopp på jorden. Om vi inte bygger ut våra älvar, måste vi bränna mera olja eller gas för att kunna fortsätta med vårt energislöseri. Men måste vi fortsätta med det? Det är sällan vi tvivlar på vad våra grannar eller resten av världen bör göra för miljön. Däremot värjer vi oss för den insats som krävs av oss själva.
För sin fysiska överlevnad behöver en människa cirka \( 100 \text{ J} \) per sekund, dvs. \( 100 \text{ W} \). Det är inte mer än effekten av en vanlig TV-apparat. Men varje svensk använder ungefär \( 70 \) gånger så mycket energi.
