2 Energi, temperatur og varme

Dette er en bok om klimaendringer. Ofte omtales de klimaendringene vi opplever i dag, som global oppvarming. Det betyr at temperaturen på planeten vår stiger, og det skyldes at energien i klimasystemet øker fordi jorda mottar mer energi i form av varme enn den sender fra seg.

Fysikkbegrepene energi, temperatur og varme er verktøy vi trenger for å kunne forstå hvordan klimasystemet fungerer. Vi bruker også disse ordene i dagligtalen, men ofte med en betydning som ikke stemmer helt overens med hvordan begrepene er definert i fysikken. Derfor skal vi bruke dette første kapittelet til å gi en introduksjon til energi, temperatur og varme i fysikken. Vi skal også se på hvordan energi kan overføres mellom ulike objekter i form av varme, og innføre begrepet effekt, som forteller hvor fort energien overføres.

Klimasystemet består av ulike stoffer, som befinner seg både i gassform (luft), væskeform (vann) og fast stoff (for eksempel is, jord og stein). Varmeoverføringen mellom de ulike delene av klimasystemet avhenger av egenskapene til disse stoffene. Derfor skal vi også komme inn på begreper som varmekapasitet, som er et mål på hvor mye varme man trenger for å øke temperaturen til stoffet, latent varme, som sier hvor mye varme man trenger for å få et stoff til å smelte eller fordampe, og emissivitet, som forteller hvor mye varmestråling overflaten til stoffet tar opp og sender fra seg. Disse begrepene vil vi få god bruk for i de videre kapitlene i boka.

2.1 Energi

I dagligtalen bruker vi begrepet energi når vi snakker om fysiske fenomener som elektrisitet, oppvarming og drivstoff, men også som et uttrykk for følelser og stemninger. Om du «føler deg full av energi», er du klar til å komme i gang og få utrettet ting. I fysikken handler energi om fysiske størrelser som kan måles og tallfestes, men betydningen likner vår dagligdagse forståelse: Energi er noe man trenger for å få ting til å skje. For eksempel trengs det energi for å sette bilen i bevegelse, for å få liv i datamaskinen og for å koke opp vann. Det samme gjelder klimaet. Om det blir mer energi i klimasystemet, kan det gi høyere temperaturer, mer nedbør, kraftigere vinder og mer uutholdelige hetebølger. Hvorfor det er slik, skal vi se i de neste kapitlene av boka.

I fysikken er energi en tilstand ved et system eller noe systemet «har». Denne energien kan eksistere i ulike former, for eksempel som bevegelsesenergi, stillingsenergi, termisk energi og kjemisk energi. Du har større bevegelsesenergi når du kjører fort på sykkel enn når du kjører sakte, og du får tilsvarende mer vondt om du faller av sykkelen i stor fart. En vase som står på en hylle høyt oppe, har høyere stillingsenergi enn en som står på det nederste trappetrinnet, og har derfor større risiko for å knuse om den skulle falle ned fra hylla. Den termiske energien i en kopp varm kaffe er større enn i en kopp kaldt vann, og det er mer kjemisk energi i en kopp kakao enn i en kopp sukkerfri te.

Den kanskje viktigste fysikkloven for energi er termofysikkens første lov: Energi kan hverken oppstå eller bli borte. Energi kan bare flytte på seg, eller overføres, fra et system til et annet, og den kan omdannes fra en form til en annen. For eksempel overføres både kjemisk og termisk energi til kroppen min når jeg drikker en kopp varm kakao. Den kjemiske energien i sukkeret i kakaoen kan i neste omgang omdannes til bevegelsesenergi når jeg setter meg på sykkelen og tråkker den i gang.

Måleenheten for energi er joule (J), men ofte brukes også enheten kilowattime (kWh), der 1 kWh = 3,6 · 106 J = 3,6 MJ (se eksempel 2.3).

Energi

«Det som får ting til å skje»

Kommer i ulike former, som for eksempel bevegelsesenergi, stillingsenergi og termisk energi

Måles i joule (J) eller kilowattime (kWh)

Vanlige symboler: E, U

Eksempel 2.1: Vedfyring

Du ankommer hytta en kald vinterkveld. For å få opp varmen fyrer du i vedovnen med tre vedkubber, som du tar fra en kurv ved siden av ovnen. Energiinnholdet i hver vedkubbe er 7,0 MJ (der 1 MJ = 106 J). Hvor mye har energiinnholdet i hytta endret seg når de tre vedkubbene har brent opp?

Gå for enkelhets skyld ut ifra at hytta er perfekt isolert.

Svar: At hytta er perfekt isolert, betyr at det ikke vil strømme energi ut av hytta når du fyrer opp ovnen.

Før du fyrer opp, har de tre vedkubbene 3 · 7,0 MJ = 21 MJ i form av kjemisk energi. Forbrenningen i ovnen gjør at den kjemiske energien omdannes til termisk energi.

Siden energi hverken kan oppstå eller bli borte, og vedkubbene allerede var inne i hytta før du fyrte opp, er den totale mengden energi i hytta konstant mens veden brenner. Imidlertid har mengden kjemisk energi sunket med 21 MJ og mengden termisk energi økt med 21 MJ når vedkubbene er brent opp.

2.2 Temperatur

La oss holde oss på hytta i eksempel 2.1 en stund til. Jo mer av vedens kjemiske energi som omdannes til termisk energi, desto høyere blir temperaturen inne i hytta, og etter hvert kan du ta av deg både lua og ullgenseren. Det vi kaller temperatur, er et direkte mål på den termiske energien til et system, som også kalles følbar varme, fordi vi kan kjenne forskjeller i temperatur.

Dersom vi ønsker å forstå sammenhengen mellom energi og temperatur på et mer grunnleggende nivå, kan vi tenke på at alle objekter består av stoffer som er bygget opp av atomer og molekyler (grupper av atomer som er knyttet tett sammen). Atomene og molekylene beveger seg i forhold til hverandre, enten de farer fritt rundt hverandre i en gass (innelufta), glir forbi hverandre i en væske (vannet i en mugge på kjøkkenbenken), eller bare vibrerer i forhold til naboene sine i et fast stoff (støpejernet i vedovnen). Temperaturen til systemet er bestemt av gjennomsnittsfarten til all denne bevegelsen. Om objektet er blitt så kaldt at alle molekylene står helt i ro, går det ikke an å få temperaturen lavere. Da har objektet nådd «det absolutte nullpunktet».

Termometeret på hytteveggen måler temperaturen ved å utnytte et stoff eller en kombinasjon av stoffer som forandrer seg på en forutsigbar måte når temperaturen endres, vanligvis ved at det utvider seg eller produserer en gitt elektrisk spenning. Siden termometeret er i direkte kontakt med innelufta, vil termometeret etter hvert få samme temperatur som lufta. Da kan vi lese av tempera- turen til termometeret og bruke det som mål på det vi egentlig er interessert i, nemlig lufttemperaturen. Vanligvis måler vi temperatur i grader celsius (°C), der vann fryser ved 0 °C og det absolutte nullpunktet har temperaturen –273,15 °C.

I regnestykker er det imidlertid ofte bedre å bruke temperaturenheten kelvin. Avstanden mellom hver grad er like stor i begge skalaene, men kelvinskalaen har ikke negative verdier, slik at det absolutte nullpunktet er på 0 K. For å komme fra grader celsius til kelvin må du derfor legge til 273,15. Noen steder i verden oppgis temperaturer i grader fahrenheit, der både frysepunktet, kokepunktet og avstanden mellom hver grad er forskjellig fra celsius-skalaen.

Temperatur

Mål på den termiske energien (følbar varme) til et objekt Måles i celsius, kelvin eller fahrenheit. Det er ekstra viktig å bruke kelvin i regnestykker.

Vanlig symbol: T

Eksempel 2.2: Temperatur

a) Når du ankommer hytta, viser termometeret på veggen 8 °C. Hva er temperaturen i kelvin?

b) Etter tre timers fyring har temperaturen økt med 9 K. Hva er temperaturen da, målt i celsius?

Svar: a) For å komme fra grader celsius til kelvin må vi legge til 273,15. Siden vi ikke har fått oppgitt temperaturen med desimaler, runder vi av 273,15 til 273. Temperaturen i kelvin er (8 + 273) K = 281 K. b) Avstanden mellom hver grad er den samme i de to skalaene, så en temperaturøkning på 9 K er det samme som en temperaturøkning på 9 °C. Temperaturen etter fyringen er altså (8 + 9) °C = 17 °C.

2.3 Varme: overføring av energi

I eksempel 2.1 fyrte vi opp i ovnen inne i en kald hytte, som var perfekt isolert. Vi måtte ta det forbeholdet for å forsikre oss om at energien ble værende inne i hytta. I virkeligheten ville dét neppe ha vært tilfellet: Det ville ha strømmet energi gjennom pipa, vinduene og veggene fra den varme hytta til de kalde om-