Energikvalitet och entropi

Fysik åk 7–9

Energi kan aldrig skapas eller försvinna, men ändå pratar vi om att den "förbrukas" när vi kör bil, lagar mat eller värmer ett hus. Det låter som en motsägelse, men förklaringen är att det inte är energins mängd som tar slut, utan dess kvalitet: hur lätt den går att använda för att göra något.

Elektricitet är ett exempel på högkvalitativ energi, eftersom den lätt kan omvandlas till rörelse, ljus eller värme efter behov. Värme som redan har spridit sig ut i rumsluften eller i ett hav är i stället lågkvalitativ energi: den finns kvar i precis samma mängd joule, men går nästan inte att samla ihop igen och göra något nyttigt av.

Entropi är det mått fysiken använder för att beskriva hur spridd och oorganiserad energin i ett system är. Ordnad energi, som den kemiska energin i ett laddat batteri, har låg entropi. Samma energimängd utspridd som ljummen värme i stora mängder luft eller vatten har hög entropi. Termodynamikens andra huvudsats säger att entropin i ett isolerat system, alltså ett system som inte utbyter energi med omgivningen, aldrig minskar, bara ökar eller förblir oförändrad. Det förklarar varför spridd värme aldrig spontant samlar ihop sig till något mer ordnat igen.

Det är därför ingen energiomvandling kan vara helt perfekt: i varje verklig process blir alltid en del av den högkvalitativa energin till lågkvalitativ värme som sprider sig till omgivningen, även om den totala mängden energi är exakt densamma som innan. Att välja energikälla eller teknik handlar därför inte bara om hur mycket energi som finns tillgänglig, utan om hur mycket av den som går att bevara i en användbar, högkvalitativ form.

Det här lär du dig

Förklara skillnaden mellan energins mängd och dess kvalitet
Ge egna exempel på högkvalitativ och lågkvalitativ energi
Förklara vad entropi mäter och varför den ökar i ett isolerat system
Resonera om varför ingen energiomvandling kan vara helt förlustfri

Begrepp att kunna

Energikvalitet: Hur lätt en energiform går att omvandla till annan nyttig energi. Elektricitet har hög kvalitet, utspridd lågtempererad värme har låg kvalitet.
Entropi: Ett mått på hur spridd och oorganiserad energin i ett system är. Högre entropi betyder mer utspridd energi och mindre möjlighet att utnyttja den.
Termodynamikens andra huvudsats: Säger att entropin i ett isolerat system, som inte utbyter energi med omgivningen, aldrig minskar, bara ökar eller förblir oförändrad. Förklarar varför energiprocesser går åt ett håll.
Spridd värme: Värme som har jämnats ut i en stor mängd luft, vatten eller material utan någon temperaturskillnad att utnyttja. Energin finns kvar, men är svår att samla in igen.

Vanliga svårigheter

Tror att "energin tar slut" bryter mot energiprincipen

Energiprincipen gäller fortfarande: mängden energi i ett isolerat system är exakt densamma före och efter. Det som ändras är hur användbar energin är. Efter en energiomvandling finns lika många joule kvar, men en stor del av dem har blivit utspridd värme som är svår att utnyttja igen.

Tror att samma mängd energi alltid är lika mycket värd

En kilowattimme el kan driva en motor, lysa upp ett rum eller ladda en telefon. En kilowattimme värme utspridd i ett badkar ljummet vatten kan knappt göra något av detta, trots att det är exakt samma energimängd. Det är skillnaden mellan hög och låg energikvalitet, inte skillnaden i hur många joule det rör sig om.

Tror att entropi bara betyder att något är rörigt eller smutsigt

Entropi i fysiken handlar specifikt om hur spridd energin är, inte om städning i vardaglig mening. Ett system kan se perfekt ordnat ut för ögat och ändå ha hög entropi, till exempel ett rum där elvärme redan har jämnat ut sig till samma temperatur överallt. Det avgörande är energins spridning, inte hur det ser ut.

I verkligheten

Ett kraftverk som eldar bränsle för el släpper ut stora mängder värme genom kyltorn i stället för att den värmen används till något

Bränslets kemiska energi är högkvalitativ, men bara en del av den blir till elektricitet. Resten blir värme som sprids till luften via kyltornen, och den utspridda värmen är för lågkvalitativ för att skickas vidare in i elnätet som nyttig energi.

Energin i ett fulladdat mobilbatteri räcker bara till att värma vattnet i ett badkar en liten bråkdel av en grad

I batteriet kan energin driva skärmen, högtalaren och processorn i telefonen under lång tid. Som spridd värme i badvattnet kan samma antal joule bara värma något som är kallare än vattnet, och det blir svårare ju mindre skillnaden i temperatur är. Samma mängd energi, men helt olika kvalitet.

Tips

Jämför två saker med samma energimängd men olika kvalitet varje gång du läser om energi, till exempel en laddad powerbank och ett glas varmt vatten. Fråga dig vad var och en faktiskt kan driva, inte bara hur många joule de innehåller.
Testa att formulera om nyhetsrubriker om energi utan ordet "förbrukar": skriv i stället vad som egentligen händer, att högkvalitativ energi omvandlas till lågkvalitativ spridd värme. Det tvingar dig att hålla isär mängd och kvalitet.
Leta efter temperaturskillnaden i varje exempel med värme du stöter på: finns det en varm och en kall sida att utnyttja, eller är allt redan samma temperatur? Svaret avgör om värmen fortfarande går att göra något nyttigt med.

Testa dig själv

1. En bilmotor omvandlar bensinens kemiska energi till rörelse, men en stor del blir värme som strömmar ut genom avgasröret och kylaren. Bryter detta mot energiprincipen?

Nej, all energi finns fortfarande kvar efter processen, bara omvandlad till en annan form. Problemet är inte att energi har försvunnit, utan att den värme som bildas är lågkvalitativ och sprider sig till omgivningen innan den kan göras till ytterligare rörelse. Det är entropin som ökar, inte den totala energimängden som minskar.

2. Varför kan vi inte samla in all värme som en motor avger och omvandla den tillbaka till lika mycket bensin eller elektricitet?

Värmen från motorn har redan spridit sig till en stor mängd luft och metall utan någon stor temperaturskillnad att utnyttja. Enligt termodynamikens andra huvudsats ökar entropin i den processen, och den ökningen går inte att vända utan att använda ännu mer högkvalitativ energi utifrån. Att vända processen helt skulle kräva att entropin spontant minskade, vilket inte händer.

3. Vilken är mer värd, en kilowattimme el från ett vindkraftverk eller en kilowattimme värme utspridd i ett stort hav, och varför?

Elen är mer värd trots att energimängden är densamma, eftersom den är högkvalitativ och lätt kan omvandlas till ljus, rörelse eller värme efter behov. Värmen i havet är lika stor i joule räknat, men så utspridd och utan temperaturskillnad att den praktiskt taget inte kan användas för att driva något alls.

Ur kursplanen

Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Energins flöde och oförstörbarhet samt olika energislags kvalitet. Olika typer av energikällor samt deras för- och nackdelar för samhället och miljön.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Energiprincipen

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: