Energiomsætning og virkningsgrad

Fysik C · STX · C-niveau · Termodynamik (basis)

⚛️ Energiomsætning og virkningsgrad

Energi = evnen til at udføre arbejde.

Energiformer:

1.

Kinetisk energi: E_kin = ½·m·v².

2.

Potentiel energi (tyngde): E_pot = m·g·h.

3.

Elastisk potentiel (fjeder): E = ½·k·x².

4. Varme (termisk).

5. Elektrisk (E = U·I·t for jævnstrøm).

6. Strålingsenergi (lys).

7. Kemisk (i bindinger).

8. Kerne-energi (E = mc²).

Energiens bevarelse (termodynamikkens 1. lov): energi kan IKKE skabes eller forsvinde — kun overføres + omdannes mellem former.

Energi-omsætnings-eksempler:

• (a) Elbil: elektrisk → kinetisk + varme i motoren.
• (b) Vandkraftværk: potentiel (vand i højde) → kinetisk → mekanisk → elektrisk.
• (c) Solcelle: stråling → elektrisk.
• (d) Køleskab: elektrisk → mekanisk → varme (afgivet bagved).
• (e) Kraftværk (kul): kemisk → varme → mekanisk → elektrisk.
• (f) Os selv: kemisk (mad) → kinetisk + varme. Virkningsgrad (η) = nyttig energi / tilført energi. ALTID under 1 (eller 100%) pga. uomgåelige varmetab.

Standardværdier: (a) Glødepære: ~5% (95% varme!). (b) LED-pære: 30-50%. (c) Bilmotor (benzin): 20-25%. (d) Bilmotor (diesel): 30-40%. (e) Elmotor: 90-95%. (f) Kulkraftværk: 35-45%.

• (g) Naturgaskraftværk: 50-60% (bedre end kul).
• (h) Solcelle: 15-25% (kommercielt).
• (i) Vindmølle: ~45% (Betz-grænsen 59%).
• (j) Vandkraft: 90%.
• (k) Brændselscelle: 50-60%.

Klimaperspektiv: forbedring af virkningsgrad reducerer CO₂.

Eksempel: udskift 60 W glødepære med 8 W LED og spar 52 W per pære.

Læringsmål

• Definere og beregne virkningsgrad η = P_nyttig/P_tilført = E_nyttig/E_tilført (dimensionsløs 0-1 eller 0-100 %)
• Sammenligne virkningsgrader: glødepære ~5 %, LED ~40 %, benzinmotor ~25 %, elmotor ~95 %, solcelle ~20 %
• Anvende energibevarelsesprincippet: E_tilført = E_nyttig + E_spild (spild = typisk varme)
• Beregne energibesparelse og tilbagebetalingstid ved udskiftning af komponent (fx glødepære → LED)
• Forklare at termodynamikkens 2. lov sætter en teoretisk grænse for virkningsgraden (Carnot)

Sådan kan du arbejde med emnet

• Beregn: 100 W glødepære vs. 8 W LED, 8 timer/dag, 365 dage, 3 kr/kWh. Hvad er den årlige besparelse?
• En benzinbil bruger 6 L/100 km (benzin: ~32 MJ/L) ved motorvirkningsgrad 25 %. Hvad er nyttig energi per km?
• Ranker fra bedste til dårligste virkningsgrad: glødepære, LED, elmotor, benzinmotor, solcelle, vandkraft

Eksperiment-forslag

• Beregn besparelsen ved at udskifte 10 glødepærer (60 W) med LED (8 W): energibesparelse per år (8 timer/dag, 365 dage, 3 kr/kWh).
• Lav en Sankey-diagram over en benzinbil: fordel 100 % input-energi på nyttig fremdrift, varme i motor, udstødning, friktion.
• Sammenlign η for vandkraft (90 %) og solceller (20 %) — diskuter hvilken der er "bedre" og hvad afhænger svaret af.

Brobygning

Energi-omdannelse og virkningsgrad gælder også for vedvarende energikilder — sol, vind og vand gennemgås i 'Vedvarende energi (sol, vind, vand)'.