Energi, arbete, effekt & verkningsgrad
Energiprincipen är ett av fysikens mest kraftfulla verktyg. Den gör det möjligt att analysera en process genom att följa energi mellan olika former och system, även när detaljerna i varje kraft inte är det viktigaste.
- Nivå 1b
Förstå → Se exempel → Träna
Förstå
Energiformer och energiprincipen
Energi kan lagras som exempelvis rörelseenergi, gravitationell lägesenergi, elastisk energi, elektrisk energi eller inre energi. I ett slutet system är den totala energin konstant, även om energins form förändras.
Arbete
Mekaniskt arbete är en energiöverföring som sker när en kraft verkar under en förflyttning. För konstant kraft gäller W = Fs cosθ. Endast kraftkomponenten i förflyttningens riktning bidrar till arbetet.
Effekt
Effekt beskriver hur snabbt energi överförs eller omvandlas: P = ΔE/Δt. Två maskiner kan utföra samma arbete men ha olika effekt om arbetet tar olika lång tid.
Verkningsgrad
Verkningsgraden η = E_nyttig/E_tillförd anger hur stor del av den tillförda energin som hamnar i den avsedda nyttiga formen. Resten har inte försvunnit utan har omvandlats till andra energiformer, ofta termisk energi.
System och energiflöden
När energiprincipen används behöver du vara tydlig med vad som ingår i systemet. Om du väljer bilen som system kan friktion mot vägen beskrivas som energiöverföring över systemgränsen; om du väljer bilen och vägen tillsammans hamnar samma process som ökad inre energi inom systemet. Samma fysik kan alltså bokföras på olika men konsekventa sätt.
Exempel
Exempel: en lyftmotor
- En motor lyfter 200 kg fem meter. Den nyttiga ökningen i lägesenergi är ΔE = mgh ≈ 200·9,82·5,0 ≈ 9,8 kJ.
- Om lyftet tar 4,0 s blir den nyttiga medeleffekten cirka 2,45 kW.
- Om motorns verkningsgrad är 80 % måste den tillförda effekten vara ungefär 2,45/0,80 ≈ 3,1 kW.
- Skillnaden omvandlas främst till värme och andra icke avsedda energiformer.
Så gör du
- 1Bestäm systemgränsen och vilka energiformer som finns före och efter processen.
- 2Skriv en energibalans innan du sätter in siffror.
- 3Använd arbete när kraft och förflyttning är centrala och effekt när tiden spelar roll.
- 4Beräkna verkningsgrad som en kvot mellan nyttig och tillförd energi eller effekt.
- 5Kontrollera att energin har rätt enhet och att η ligger mellan 0 och 1.
Vanliga misstag
Vanligt misstag
Friktion gör att energi försvinner.
Bättre
Friktion omvandlar ofta mekanisk energi till inre energi och värme i systemet och omgivningen.
Total energi bevaras även när mekanisk energi inte gör det.
Vanligt misstag
Hög effekt betyder alltid att mindre energi används.
Bättre
Effekt är energi per tid. En apparat med hög effekt kan använda mycket eller lite energi beroende på hur länge den är igång.
Skilj watt från joule eller kilowattimmar.
Fundera
Två motorer lyfter samma massa till samma höjd men den ena gör det på halva tiden. Vad är lika och vad skiljer sig mellan motorernas arbete, nyttiga energi och effekt?
Träna
Övning
500 J in och 350 J nyttigt. Beräkna verkningsgraden.
Sammanfattning
- Energi bevaras men kan överföras och omvandlas.
- Arbete är energiöverföring genom kraft och förflyttning.
- Effekt är energi per tid.
- Verkningsgrad jämför nyttig och tillförd energi.
Relaterade genomgångar
Fortsätt med något som hänger ihop med den här genomgången.
Värme, temperatur & fasomvandlingar
Skilj temperatur från energi och beräkna energiflöden vid uppvärmning och fasövergångar.
Läs genomgångenElektrisk laddning, spänning, ström & resistans
Förstå laddning, spänning, ström och resistans.
Läs genomgångenElektriska kretsar
Analysera serie- och parallellkopplingar med ström, spänning, resistans och effekt.
Läs genomgången