Skilja hvernig orka getur breyst úr einu formi í annað: hreyfi-, stöðu-, varma-, efna-, rafsegul-, geisla- og kjarnorku
Orka
breytaEðli orkunnar
breyta- Orku má skilgreina sem hæfni til þess að framkvæma vinnu.
- Ef hlutur eða lífvera framkvæmir vinnu (beitir orku til þess að færa hlut úr stað) notar hluturinn eða lífveran orku.
- Hlutir geta tekið til sín orku t.d. kúlu sem er kastað.
Myndir orkunnar
breytaOrka birtist í margvíslegum myndum.
Skiptum í 6 helstu orkumyndirnar:
- Hreyfiorka = breytum efnaorku fæðuefna í hreyfingu og efni sem er á hreyfingu býr til orku.
- Stöðuorka = hlutut býr yfir orku sem ræðst af því hvar hann er staðsettur.
- Varmaorka = hreyfiorka sem breytist í varmaorku (hreyfing einda)
- Efnaorka = kraftar sem halda saman frumeindum.
- Rafsegulorka = t.d. ljós
- Kjarnorka = samþjappaðasta mynd orkunnar. Í miðju frumeinda er kjarni þar sem kjarnorkan á upptök sín; hún losnar úr læðingi sem varma- og rafsegulorka þegar kjarninn klofnar. Losnar einnig þegar léttir kjarnar rekast saman á miklum hrapa og sameinast.
Varmaorka
breytaSameindir og hreyfing
breyta- Það þarf orku til þess að skapa hreyfingu og varmi er ein mynd orkunnar.
- Varmi tengist hreyfingu sameinda samanborið ef höndum nuddað saman.
Varmaflutningur
- Varmaorka flyst frá heitum hlut til þeirra sem kaldari eru.
- Tilfærsla á varma kallast varmaflutningur.
- Varmi getur flust á þrjá vegu milli hluta: með varmaleiðingu, varmaburði eða varmageislun.
Varmaleiðing
- Flyst varmi gegnum efni, eða frá einu efni til annars, með beinni snertingu milli sameinda, það er orkan berst frá einni sameind til annarrar.
- Varmaleiðing á sér stað í föstu efni, vökvum og lofttegundum, enda eru þau öll gerð úr sameindum.
- Sum efni leiða varma betur og hraðar en önnur og eru sögð góðir varmaleiðarar. Silfur og kopar.
Varmaburður
- Varmi berst með straumi straumefnis, en straumefni er samheiti á lofttegundum og vökvum.
- Þegar straumefnið hitnar taka sumar sameindir þess að hreyfast hraðar og lengra verður milli þeirra en áður.
- Þetta leiðir til þess að eðlismassi þessa hluta straumefnisins minnkar. Sameindir þess eru ekki eins þéttar og áður.
- Vegna þess að heiti hluti efnis er eðlisléttari en straumefnið í kring stígur hann upp og skapar strauma sem bera með sér varma.
Varmageislun
- Þegar orka flyst gegnum rúmið.
- Er í mynd ósýnilegra rafsegulbylgna sem kallast innrauðar bylgjur.
- Varmi berst hingað frá sólu með varmageislun.
Hiti og varmi
breytaHreyfiorka
breyta- Hlutir sem eru á hreyfingu geta framkvæmt vinnu. Vinna = orkubreyting sem verður þegar hlutur færist fyrir tilstilli krafta. Vinna er margfeldið af krafti og vegalengd.
- Hlutur á hreyfingu býr yfir orku og orkan sem felst í hreyfingunni kallast hreyfiorka.
- Hiti er mælikvarði á meðalhreyfiorku sameindanna. Eftir því sem efni er heitara þeim mun hrraðar hreyfast sameindir þess.
Myndband um hitaþenslu á vef Orkuveitunnar (Velja; Heitt vatn og velja Hitaþensla)
Spurningar úr myndbandi:
- Hvað gera flestir hlutir þegar þeir hitna?
- Hvaða breyting verður á hegðun atóma í efni við hitun?
- Á hvaða hitastigi dregst vatn saman þrátt fyrir hitun?
Hitamælingar
breyta- Hitamælir er tæki sem mælir hita
- Venjulega kvikasilfur aða alkóhól í hitamælum; sameindir í straumefni dreifast um stærra rými ef þær hitna og öfugt þegar kólnar.
- Kelvinkvarði notaður í SI-kerfinu, þá kelvin (K). 0°C=273°K, en 0°K lægsti hiti=alkul.
Hitaþennsla
breyta- Hiti hefur áhrif á stærð hluta.
- Eftir því sem hlutur er heitari þeim mun meiri hreyfiorka býr í sameindum hans og þær hreyfast hraðar og yfirleitt verður lengra á milli þeirra.
- Taka þarf tillit til hitaþennslu, t.d. við hellulagningu.
- Tvímálmur er áhald sem grundvallast á því að föst efni þenjast mismikið út þegar þau hitna. Notað í hitastilla.
Hitamælingar
breyta- Varmaorka er forsenda þess að breytingar verði á hita, m.ö.o. að breytingar verði á ahreyfingu sameinda. Hiti er mælikvarði á hreyfingu sameinda.
- Varmi oft mældur í kaloríum (cal eða kal á íslensku) eða hitaeiningar (he). Ein kaloría er skilgeind sem sá varmi sem til þess að hita eitt gramm af vatni um eina gráðu, úr 14,5°C í 15.5°C.
- júl (J) yfirleitt notuð fyrir orku og vinnu og eitt júl er 0,24 kaloríur og kalorían er 4,2júl.
- Varmi og hiti ekki hið sama; sami varmi veldur mismikilli hitabreytingu hjá mismunandi efnum. Sum efni taka betur við varma en önnur. Þessi efni þurfa færri kaloríur til þess að hitna um eina gráðu.
- Eðlisvarmi = Sá eiginleiki sem er mælikvarði á hversu vel efni taka við varma. Sá varmi sem þarf til þess að hita 1 gramm efnisins um einaa celsíusgráðu og er mældur í kal eða júl.
- Varmagildi matvæla oftast gefið upp í kílókaloríum, kkal, eða kílójúlum, kJ. 1 kkal=1000kal.
Varmi og stöðuorka
- Varmi grundvallast á þeim efnismassa sem er til staðar. (T.d. 5 g af 90°C vatni búa yfir meiri varmaorku en 1 g af jafn heitu vatni).
- Stöðuorka = sú orka sem hlutur býr yfir.
- Hægt að breyta hreyfiorku í stöðuorku. Og öfugt.
- Lögmálið um varðveislu orkunnar = samvæmt því er hvorki hægt að skapa orku né eyða henni – aðeins hægt að breyta mynd hennar.
Hitun, kæling og einangrun
breyta- Þær aðferðir sem kæli- og hitakerfi grundvallast á byggjast á þekkingu á varmaflutningi og breytingu orkunnar úr einni mynd í aðra.
Hitakerfi
- Skoðið mynd 2-15 bls 41
- Helstu varmagjafar sem notqaðir eru til upphitunar eru eldsneyti, rafmagn og jarðvarmi.
Nýting jarðvarma
- Nýttur til húshitunar, raforkuframeiðslu, ylræktar og í iðnað.
- Jarðhitasvæðum skipt í lághitasvæði (ekki yfir 150°C á 1000 m dýpi) og háhitasvæði (yfir 150°C á 1000 m).
- Skoða bls 44: hraunhitaveita
Myndband um lághitasvæði á vef Orkuveitunnar (Velja; Heitt vatn og velja Lághitasvæði)
Spurningar úr myndbandi:
- Hversu heitt má vatn vera á 1000 m dýpi til þess að svæði teljist lághitasvæði en ekki háhitasvæði?
- Hvers vegna er hægt að nota vatn af lághitasvæðum beint til húshitunar, en ekki vatn af háhitasvæðum?
- Hvað er talið að lághitasvæði Íslands séu mörg?
- Hvar eru þau staðsett?
- Hvað heitir vatnsmesti hver Íslands?
Myndband um háhitasvæði á vef Orkuveitunnar (Velja; Heitt vatn og velja Háhitasvæði)
- Hvað er það sem gerir háhitavatn svo æskilegt til að hita upp ferskt vatn?
- Hvað einkennir jarðvatn á háhitasvæðum?
- Hvers vegna er ekki æskilegt að hleypa háhitavatni beint á leiðslur hitaveita?
Einangrun
- Með einangrun má draga úr varmatapi sem verður vegna varmaleiðingar. T.d. einangrunarplast, glerull og steinull.
Kælikerfi
- Raforka notuð til að fjarlægja varmaorku, leiddur út og sleppt í andrúmsloft með vökva.
- Skoðið mynd 2-20 bls 45.
Kjarnorka
breytaGerð frumeinda
breyta- Frumeind úr kjarna með róteindum og nifteindum og rafeindum sem sveima umhverfis kjarnann.
- Meginhluti massa frumeindar er í massa rót- og nifteinda.
- Rafeindirnar mynda eins konar rafeindaský á tilteknu svæði um kjarnann.
Öreindir
breyta- Til eru hundruð mismunandi öreindir. Margar eru samsettar úr sex mismunandi eindum sem kallast kvarkar.
Sterk víxlverkun
breyta- Vegur upp fráhrindandi rafsegulkrafta milli róteinda og heldur þannig öreindum kjarnans saman.
- Orkan sem kjarninn býr yfir vegna bindikrafta róteindanna nefnist kjarnorka.
Sætistala
breyta- Fjöldi róteinda í kjarna frumeindar ákvarðar sætistölu.
Samsætur
breyta- Fjöldi róteinda í frumeindum sama frumefnis er ávallt hinn sami.
- Frumeindir sem eru með sama fjölda róteinda en mismargar nifteindir kallast samsætur.
- Samsætur þekkjast á massatölu sinni. Massatala segir til um heildarfjölda nifteinda og róteinda í kjarna frumeindar.
Bls. 144-147
Frumefnabreytingar og geislavirkni
breyta- Frumefnabreytingar eiga sér stað þegar eitt frumefni breytist í annað vegna breytinga í frumeindakjarna og það getur gerst í náttúrunni eða orðið fyrir tilverkna manna.
Geislavirkni
breyta- Eindir í kjarna frumeinda haldast saman fyrir tilstilli afar sterkra krafta.
- Í sumum kjörnum, t.d. kolefni-12, eru kraftarnir nægjanlega öflugir til að halda þeim saman varanlega.
- Aðrir eru óstöðugari og hafa því tilhneigingu til að brotna sundur og taka þá náttúrulegri frumefnabreytingu.
- Þessi sjálfkrafa sundrun óstöðugra frumeindakjarna kallast geislavirk sundrun og við það losnar orka.
- Þessi frumenfi kallast geislavirk frumefni og er eiginleikinn kallaður geislavirkni.
- Kjarnar geislavirkra efna breytast með ákveðnum hraða sem endurspeglast í helmingunartíma þeirra. Sá tími sem það tekur helming kjarna í tilteknu frumefni að breytast. Helmingurtími kolefnis-14 er 5568 ár og á þeim tíma hefur helmingur allra upphaflegu frumeindanna í nitur-14. Eftir önnur 5568 ár hefur svo aftur helmingur breyst o.s.frv.
- Helmingunarími efna breytilegur.
- Alfasundrun: losna tvær róteindir og tvær nifteindir úr kjarna geislavirkrar frumeindar. Þessar fjórar eindir kallast saman alfaögn eða alfaeind (sem er í raun helíum)
- Betasundrun: rafeind sem er neikvætt hlaðin eind losnar úr kjarna frumeindar. Þá breytist nifteind í róteind og sendir frá sér rafeind og þá myndast frumefni sem hefur sömu massatölu en sætistalan er einum hærri en áður.
- Gammasundrun: við breytingu á kjarna getur losnað gríðarleg orka sem áður var bundin í kjarna frumeinsanna. Þessi orka losnar oft í mynd gammageisla. Gammasundrun er fólgin í losun gammageisla og er venjulega samfara alfa- eða betasundrun.
Örvuð kjarnahvörf
breyta- Hægt að láta frumefnabreytingu fara fram í tæki sem kallast eindarhraðal. Í þessu tæki eru hraðfara róteindir eða nifteindir látnar dynja á frumeindakjörnunum. Frumeindakjarnarnir eru þvingaðir til að bæta við sig róteindum eða nifteindum og þá verða til önnur frumefni.
Nýting kjarnorku
breytaKjarnaklofnun
breyta- Árið 1938 tókst mönnum fyrst að framkvæma fyrstu kjarnaklofnunina.
- Kjarnaklofnun er þegar kjarni frumeindar klofnar sundur í tvo minni kjarna.
- Nifteind beitt að kjarna úrans-235 og við áreksturinn verða til tveir minni kjarnar, barín-142 og krypton-91. Þrjár nifteindir losna við þessa kjarnaklofnun, upphaflega nifteindin og tvær úr kjarna úransins. Þær geta svo klofið annan kjarna úrans-235 og kjarnaklofnunin heldur áfram í hvörfum sem kallast keðjuhvörf eða keðjuverkun.
Kjarnaofnar
breyta- Við kjarnaklofnun losnar gríðarmikil orka og því búnir til kjarnaofnar eða kjarnakljúfar þar sem unnt er að stýra kjarnaklofnuninni.
- Kjarnaeldsneyti: úran-235 er algegngast en þá er stöngum af því komið fyrir í kjarnaofni.
- Hemilefni: Efni sem dregur úr hraða nifteinda þar sem úran-235 á erfitt með að taka við nifteindum á miklum hraða. Hemilefnið er þá þungt vatn sem er vatn þar sem kjarnar vetnisins hafa 1 róteind og eina nifteind í stað einungis einnar róteindar eins og er algengast.
- Stýristengur: halda þarf fjölda nifteinda niðri svo ekki myndist of mikil orka í einu (kjarnaofninn getur bráðnað). Stangir úr kadmíni komið fyrir en þær gleypa nifteindir.
Kjarnorka - afl sem getur eytt öllu lífi
breyta- Kjarnavopn eru mestu tortímingarvélar sem nokkru sinni hafa verið smíðaðar.
Heimildir
breyta- Orka - 1.,2. og 6. kafli. 1998. Námsgagnastofnun. Reykjavík.
- Fræðsluvefur Orkuveitu Reykjavíkur