7 Termofysik: 7.6 Energikvalitet
7.6 Energikvalitet
7.6 Energikvalitet
Energiomvandlingar är viktiga för oss, eftersom vi blivit beroende av maskiner som utför nyttigt arbete: bilmotorer, tvättmaskiner, pumpar och så vidare. Ingen av dessa maskiner förbrukar energi, utan omvandlar energi från en form till en annan.
Vissa energiomvandlingar sker naturligt. Den kemiska energin i ved kan omvandlas till värme från en eldstad, men inte omvänt. Hur länge du än väntar, kommer du aldrig att få se att askan i en slocknad eldstad tar emot värme från omgivningen och skapar den ved som vi började med att bränna.
När veden har brunnit upp har dess beståndsdelar spritts ut i omgivningen som aska, koldioxid, vattenånga och termisk energi. Oordningen i världen har ökat efter att veden brann upp. Ett annat namn på oordning är entropi.
Allt liv, alla processer, handlar om energiomvandlingar som leder till att universums entropi ökar. Energin i sådana kedjor av energiomvandlingar går från hög kvalitet mot lägre.
En energiform är högvärdig när en stor del av energin kan användas till nyttigt arbete. Då har energiformen en relativt låg entropi.
En energiform är lågvärdig när bara en liten del av energin kan användas till nyttigt arbete. Då har energiformen en relativt hög entropi.
När ett system har högvärdig energi, råder en hög grad av ordning i systemet. När ett system har lågvärdig energi, råder en hög grad av oordning i systemet.
Ordnad molekylrörelse:
Den kinetiska energin i en båt som rör sig i en viss riktning är högvärdig mekanisk energi. Molekylerna som båten är uppbyggd av rör sig alla i samma riktning. Vattnet som rinner i en älv, har också högvärdig mekanisk energi. Vi kan jämföra elektrisk ström med vattnet i älven; strömmen har också högvärdig energi.
Oordnad molekylrörelse: Helt annorlunda är det med termisk energi. Termisk energi är lågvärdig energi. Energin är lagrad som oordnad molekylrörelse. Bara en förhållandevis liten del av energin kan omvandlas till nyttigt arbete, eftersom det är omöjligt att likrikta alla molekyl rörelserna i ämnet.
Högvärdig energi är knuten till mikroskopisk ordning, och lågvärdig energi är knuten till oordning.
Ju lägre temperatur ett ämne har, desto lägre kvalitet har den termiska energin. Men även om energikvaliteten är låg, är termisk energi nyttig för uppvärmning.
När vi omvandlar eller "använder" energi, övergår alltid något av energin till en mer lågvärdig form. Därmed blir energi kvaliteten lägre. Samtidigt blir en mindre del av energin tillgänglig för arbete. När den elektriska degblandaren har blandat en deg, har en del av energin övergått till onyttig termisk energi. Det är därför vi måste betala för energi, trots att energin bevaras.
Sådana erfarenheter kan samlas i denna formulering av termofysikens andra lag:
De här två formuleringarna betyder samma sak:
- När vi använder energi sjunker den totala energikvaliteten.
- I alla fysikaliska processer ökar universums totala entropi.
Det gäller alltså att spara på den högvärdiga energin!
När vi använder energi övergår således mikroskopisk ordning i oordning. Det betyder att graden av oordning i universum hela tiden ökar. Allt som sker i universum, reducerar den totala energikvaliteten. Någon fysiker har sagt att universum går mot en "värmedöd". Till sist slutar energin som oordnad termisk energi, överallt samma, och därför oanvändbar till att utföra arbete.
