Skilja hvernig orka getur breyst úr einu formi í annað: hreyfi-, stöðu-, varma-, efna-, rafsegul-, geisla- og kjarnorku

Úr Wikibókunum, frjálsa kennslubókasafninu
Jump to navigation Jump to search

Orka[breyta]

Eðli 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[breyta]

Orka 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[breyta]

Sameindir 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[breyta]

Hreyfiorka[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:

  1. Hvað gera flestir hlutir þegar þeir hitna?
  2. Hvaða breyting verður á hegðun atóma í efni við hitun?
  3. 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:

  1. Hversu heitt má vatn vera á 1000 m dýpi til þess að svæði teljist lághitasvæði en ekki háhitasvæði?
  2. Hvers vegna er hægt að nota vatn af lághitasvæðum beint til húshitunar, en ekki vatn af háhitasvæðum?
  3. Hvað er talið að lághitasvæði Íslands séu mörg?
  4. Hvar eru þau staðsett?
  5. Hvað heitir vatnsmesti hver Íslands?


Myndband um háhitasvæði á vef Orkuveitunnar (Velja; Heitt vatn og velja Háhitasvæði)

  1. Hvað er það sem gerir háhitavatn svo æskilegt til að hita upp ferskt vatn?
  2. Hvað einkennir jarðvatn á háhitasvæðum?
  3. 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[breyta]

Gerð 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[breyta]

Kjarnaklofnun[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]