Elevene skal ha grunnleggende kunnskaper om ulike former for energi og energioverføringer

8a kunne gjøre beregninger med mekanisk, termisk og elektrisk energi og effekt

8b kunne gi eksempler på tilgjengelig teknologi til utnytting av ulike energikilder sett i et miljøperspektiv

7a kjenne til varmekapasitet, smelte- og fordampningsvarme og kunne gjøre enkle energi-beregninger i forbindelse med temperaturendringer og faseoverganger

Definisjon av energi

Fra s.151 i 2FY boka: Energien til et legeme (et system) er et mål for det arbeidet dette legemet kan gjøre på omgivelsene.

Arbeid

Siden energi er definert som det arbeid et legeme kan gjøre på omgivelsene, må vi definere hva arbeid er. Vi må jo egentlig også definere hva et legeme er og hva omgivelsene er. Det blir ofte tatt for gitt, og det er nok grunnen til at mange oppgaver er vanskelig å løse. Vær derfor nøye med å definere hva legemet er og hva omgivelsene er i alle oppgaver som dreier seg om kraft og energi!

Når en kraft F virker på et legeme, er arbeidet W gitt ved

$W = F \times s \times \cos α$

der s er forflytningen av angrepspunktet og α er vinkelem mellom retningene for kraften og forflytningen.

Enheten for arbeid er Nm (Newtonmeter) som har fått en egen benevning J (Joule)

Effekt

Det viser seg å være interessant å finne ut hvor fort et arbeid blir utført.

Når et arbeid W blir utført på en tid t, er effekten P gitt ved

$P = \frac{W}{t}$ Enheten for effekt er $\frac{J}{s}$ og har fått en egen benevning, W (Watt)

Virkningsgrad

Og så er det jo interessant å finne ut hvor mye energi som et legeme utfører på omgivelsene som faktisk er nyttig! Igjen er det viktig å tenke på hva ordet nyttig betyr. Er det så veldig nyttig å dra en kjelke opp en bakke slik en del av eksemplene i boka viser? Hva betyr egentlig nyttig? Vel, virkningsgrad er i hvert definert som følger:

Virkningsgraden η sier noe om hvor mye energi som er blitt utnyttet av et system, i forhold til hvor mye som er tilført:

$η = \frac{nyttig energi}{tilført energi} = \frac{nyttig effekt}{tilført effekt}$

Av formelen ser vi at η aldri kan bli større enn 1. Eller rettere sagt: ettersom "energi ikke kan oppstå eller forsvinne, den kan bare skifte form", så kan nyttig energi ikke bli større enn tilført energi. Den uthevede skriften kalles for energiloven og står på side 206 i boken.

Energiformer

Ok, vi har nå sett litt på hva energi er. Det er definert som det arbeidet et legeme utfører på omgivelsene. Matematisk blir det altså uttrykt med formelen $W = F \times s \times \cos α$ . F har vi tidligere hørt om. Det er symbolet på kraft, og Newton har jo definert sine tre lover som omhandler krefter. De to første har også tegnet Σ foran F'en, noe som betyr at det er snakk om summen av krefter.

La oss se hva som skjer hvis vi ser på hva summen av kreftene på et legeme gjør av arbeid på et legeme. Hvis summen av kreftene er 0, så gjør ikke summen av kreftene noe arbeid totalt sett. Men, hvis summen av kreftene er forskjellig fra 0, så sier Newtons 2. lov at ΣF=ma. Putter vi det inn i formelen vår over og benytter oss av at $v^{2} - {v_{0}}^{2} = 2 as$ , så får vi følgende sammenheng hvis vi velger å sette startfarten $v_{0}$ til 0:

Kinetisk energi

Et legeme med masse m som er i translatorisk bevegelse med farten v, har en kinetisk energi

E_{k}

som er gitt ved det arbeidet kraftsummen på legemet har gjort når det fra ro har gitt legemet farten v.

$E_{k} = ΣF \times s = mas = \frac{1}{2} m v^{2}$

Potensiell energi

På jorda er det en kraft som alltid er tilstede og som har stor innvirkning på livene våre! Tyngdekraften! La oss se hva som skjer hvis vi ser på hvilket arbeid tyngdekraften gjør på et legeme. Fra før vet vi at tyngdekraften G er definert som G=mg der m er massen til legemet som kraften virker på og g er tyngdeakselerasjonen. Setter vi dette inn i definisjonen for arbeid, får vi W=mgs. Denne sammenhengen er så mye brukt at den har fått et eget navn og definisjon:


Den potensielle energien $E_{p}$ til et legeme som er i høyden h over et valgt nullnivå, er lik det arbeidet tyngden gjør når legemet faller til nullnivået. $E_{p} = G \times h = mgh$ Her er m massen til legemet, og g er tyngdeakselerasjonen.

Bevaring av mekanisk energi

Mekanikk er definert på s.95 og s.336 i boka som "Den delen av fysikken som tar for seg bevegelse, likevekt og sammenhengen mellom krefter og bevegelse.

Energiloven, som vi snakket om når vi definerte virkningsgrad, gjelder også for mekaniske bevegelser. Når noe beveger seg i tyngdefeltet, gjelder følgende sammenheng:

Når et legeme beveger seg i tyngdefeltet og andre krefter enn tyngden ikke gjør arbeid på legemet, er den mekaniske energien konstant i bevegelsen.

$E_{pfør} + E_{kfør} = E_{petter} + E_{ketter}$