Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Grunnleggende termodynamikk

18. august, 2017

På nettsiden vår presenteres det ofte konsepter som involverer temperatur, varme og trykk. For å kunne forstå mye av det innholdet som dreier seg om utnyttelse av varmeenergi, er det viktig å ha et forhold til begrepene varme og temperatur, samt å kunne skille mellom dem og bruke dem presist i fysikksammenheng. Læren om de mekanismene som ligger til grunn for disse prosessene kaller vi termodynamikk. 

 

Vet du forskjellen på et isolert, lukket og åpent system?

Når vi skal snakke om termodynamikk er det viktig å være nøye med å forklare om vi betrakter isolerte, lukkede eller åpne system. Forskjellene mellom de tre ser du på figuren nedenfor.

Bilde: UngEnergi
Bilde: UngEnergi

Temperatur

Figur 1: Termisk likevekt. Bilde: UngEnergi.
Figur 1: Termisk likevekt. Bilde: UngEnergi.

Temperatur er et begrep som kan være vanskelig å definere helt presist. Vi har alle et forhold til temperatur – typisk klarer vi å skille mellom to legemer med forskjellig temperatur. Dette har likevel sine svakheter ettersom sansene våre kan bedra oss. Men, mange materialer vi finner i naturen har egenskaper som endrer seg når temperaturen endres, og dette har blitt utgangspunktet for å gjøre temperatur til en målbar størrelse gjennom at vi har utviklet termometre. Disse innretningene har gjort oss i stand til å kunne si sikkert om to legemer har lik eller ulik temperatur. Når to legemer har lik temperatur er de i termisk likevekt – dette kan vi bruke til å forklare nærmere hva temperatur faktisk er.

 

La oss betrakte tre systemer; A, B og C som i utgangspunktet ikke har lik temperatur. Dersom vi isolerer system A fra system B, men lar system C være i kontakt med både A og B, har vi et oppsett slik vist øverst i figur 1. De systemene som er i kontakt med hverandre vil etter hvert oppnå termisk likevekt. Dette vil altså si at system A er i termisk likevekt med C, og system B også er i termisk likevekt med C. For å nå undersøke om system A er i termisk likevekt med system B fjerner vi det isolerende materialet mellom A og B, se nederst på figur 1. Undersøkelser viser at ingenting skjer med temperaturen i de to systemene – og vi kan derfor konkludere med at også A og B er i likevekt.

 

Det å definere temperatur på denne måten er likevel ganske ufullstendig, og gir oss muligens ikke så mye før vi har presentert termodynamikkens 2. lov. Vi snakker ofte om at temperatur er et mål på den indre kinetiske energien i et stoff, altså dreier temperaturen seg om tilfeldige og uordnede bevegelser til de partiklene som utgjør et stoff. Atomer og molekyler beveger seg alltid i forhold til hverandre, enten om stoffet de utgjør er flytende, fast eller i gassform. Disse bevegelsene kaller vi termiske bevegelser, og vi skiller mellom tre former; rotasjons-, vibrasjons- og translasjonsbevegelse. Dersom en av disse bevegelsestypene øker, øker den kinetiske energien og følgelig også temperaturen.

 

Men, temperatur i seg selv som størrelse betyr ingenting om man ikke angir et referansepunkt, det vil si et punkt (en bestemt temperatur) man måler i forhold til. Hvor skal så dette referansepunktet settes? Kelvinskalaen (måles i Kelvin, K) er en såkalt absolutt temperaturskala. Det absolutte nullpunkt er der hvor den indre energi er på sitt aller laveste. Kelvinskalaen har for øvrig samme trinnstigning som celsiusskalaen, som vil si at temperaturforskjellen mellom to grader Celsius er lik temperaturforskjellen mellom to grader Kelvin.

Varme og termodynamikkens 2. lov

Figur 2: Termodynamikkens andre lov, varme kan bare gå fra steder med høy temperatur til steder med lav temperatur i prosesser som går av seg selv.
Figur 2: Termodynamikkens andre lov, varme kan bare gå fra steder med høy temperatur til steder med lav temperatur i prosesser som går av seg selv.

Varme og temperatur brukes i dagligtale om hverandre, men i fysikken er det helt avgjørende å kunne skille mellom dem. Varme er energi som blir overført fra ett sted til et annet på grunn av en temperaturforskjell. I tillegg til definisjonen av varme er termodynamikkens 2. lov nyttig i denne sammenhengen – varme kan ikke gå av seg selv fra et system med lav temperatur til et system med høy temperatur. To systemer ønsker altså alltid å oppnå termisk likevekt. Av denne loven ser vi at dersom det ikke er en temperaturforskjell mellom to legemer i kontakt med hverandre vil det ikke overføres varme – ingenting skjer med temperaturen, altså er de i termisk likevekt. Dette vises også ved eksempelet i figur 1.

Termodynamikkens 1. lov

 I tillegg til at energi kan overføres på grunn av en temperaturforskjell, kan også energi overføres ved arbeid. Den indre energien i et lukket system kan endres av to faktorer; arbeid og varme. Disse størrelsene er forent i det vi kaller termodynamikkens 1. lov, som sier at endringen i den indre energien i et lukket system er lik summen av arbeidet W som gjøres på systemet og varmen Q som tilføres systemet. Alle disse størrelsene måles i Joule. Matematisk kan vi beskrive det som i likning (1). Denne loven er i grunnen en utvidelse av at “Energi kan verken oppstå eller forsvinne, men den kan endre form”. Merk at den indre energien er summen av den kinetiske og den potensielle energien i stoffer. Den potensielle energien innbefatter blant annet kjemisk bindingsenergi og energi i faseoverganger.

 

     (1)

Trykk

Figur 3: Bilde fra ndla.no, opphavsmann: Narom
Figur 3: Bilde fra ndla.no, opphavsmann: Narom

Vi studerer en gass i en lukket beholder, se figur 3. Her vil det virke en kraft fra hvert molekyl på veggen i beholderen, ettersom molekylene alltid er i bevegelse og dulter borti veggene til stadighet. Summen av alle kreftene som virker på veggen i beholderen fra molekylene i væsken utgjør trykket i beholderen, og det bestemmes av antall molekyler og deres fart

 

Diagrammet i figur 4 viser sammenhengen mellom temperatur(T) og trykk(p) for stoffer som endrer fase. Vann kan for eksempel endre fase og bli fast(is), flytende(vann), eller gass(damp).  La oss si at vi har et stoff i punkt a1 – dette stoffet er i fast form. For å få en faseovergang til væske må vi øke temperaturen med ΔT1, forutsatt at trykket er konstant. Dersom vi istedenfor øker trykket til dette stoffet og samtidig holder temperaturen konstant vil dette stoffet ta plass langs den grønne linja, til punkt a2. Hvis vi nå skulle fått en faseovergang til væske (med konstant trykk) måtte vi økt temperaturen med ΔT2. Vi ser av diagrammet at ΔT2 > ΔT1. Dette viser oss at smeltepunktene for samme legeme ved to ulike trykk ikke er like – det samme gjelder kokepunktene og frysepunktene. Temperaturen og trykket er altså kun avhengige ved faseoverganger. Dette vil si at man ved å øke trykket i vann øker kokepunktet og at man ved å senke trykket vil senke kokepunktet.

 

Figur 4: Diagrammet viser en typisk sammenheng mellom temperatur og trykk for et stoff. Bilde: UngEnergi.
Figur 4: Diagrammet viser en typisk sammenheng mellom temperatur og trykk for et stoff. Bilde: UngEnergi.

 

Hvorfor er dette relevant for geotermisk energi?

I geotermiske anlegg ønsker man å bruke damp til å drive turbiner. Der hvor grunnvannet ikke har høy nok temperatur til å gå over i gassform, senker man trykket slik at kokepunktet også synker. Ved å holde temperaturen konstant kan man altså bruke trykkendringer til å få væsken til å fordampe. Dette er nyttig i slike anlegg fordi vi ønsker å bruke damp til å drive turbinene. Prinsippene ligner veldig på de i varmepumper, bare at retningen på prosessen er motsatt. I varmepumpa gjør vi et arbeid på systemet slik at det går varme til omgivelsene, mens i geotermiske anlegg bruker vi varmeenergi fra grunnvannet til å gjøre arbeid.  Vi har laget en noen videoer om varmepumper som godt illustrerer disse prinsippene:

Hvorfor er dette relevant for kjernefysisk fusjon?

For at to nuklider skal kunne fusjonere seg sammen må de overvinne den elektromagnetiske frastøtingen som virker mellom to partikler med lik ladning (begge nuklidene er positivt ladd). For at nuklidene skal kunne overvinne den elektromagnetiske frastøtingen må bevegelsesenergien til nuklidene være over en gitt verdi (dette varierer fra nuklide til nuklide). Da temperatur er et gjennomsnittlig mål på bevegelsen til partiklene i et stoff, må temperaturen være høy for at forholdene for fusjon skal være til stede. I fusjonskraftverk prøver man å fusjonere deuterium og tritium. Antennelsestemperaturen for deuterium-tritium-plasma er omtrent 100 millioner kelvin.

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Bevegelsesenergi: Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi.
Rettlinjet bevegelse med konstant fart.
Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legeme etter formelen Ek = ½mv²
En nuklide er en bestemt sammensetning av nukleoner.
Et isotop av hydrogen. Det er stabilt, dvs. ikke radioaktivt. Har et proton og et nøytron i kjernen.
Et isotop av hydrogen. Det er ustabilt, dvs. radioaktivt. Har et proton og to nøytron i kjernen.