Når vann varmes opp i en gryte under konstant trykk, skjer det flere interessante faseoverganger som kan forklares gjennom forskjellige termodynamiske prinsipper. Dette kan være avgjørende for en rekke praktiske applikasjoner, fra matlaging i en trykkoker til industriell energiproduksjon. Fasen som vannet er i, kan beskrives med ulike parametre som volum, masse, stoffmengde og antall molekyler. Hvilken av disse som er mest hensiktsmessig, avhenger av den spesifikke applikasjonen.

Når det gjelder gasser, er det imidlertid ikke nok bare å spesifisere masse eller volum. Gasser kan komprimeres, og derfor kan samme mengde gass opptre i et mindre eller større volum. For å beskrive tilstanden til en gass mer presist, benyttes begrepet tetthet (ρ = m/V), som er forholdet mellom masse og volum. Imidlertid er dette målet ofte upraktisk i termodynamikk, ettersom volumet er nevneren. I praksis er det mer vanlig å benytte spesifikt volum (v = V/m), som gir et enklere mål på hvor mye plass en substans tar opp per enhet masse, og uttrykkes i enheten m³/kg.

En annen viktig forskjell i termodynamikk er mellom ekstensiv og intensiv egenskaper. Ekstensiv egenskaper som volum, energi og masse endres når systemet deles opp i mindre deler, mens intensive egenskaper som temperatur, trykk og tetthet forblir uendret. Dette skillet er essensielt for å forstå hvordan forskjellige fysiske tilstander oppstår under ulike forhold.

La oss nå fokusere på et konkret eksempel, nemlig hvordan vann oppfører seg når det varmes opp. Vi antar at vi har en gryte med 1 kg vann ved en temperatur på 20 °C og et trykk på 1 bar, som er det atmosfæriske trykket. Når vannet varmes opp, begynner det å oppføre seg på forskjellige måter avhengig av temperaturen og tilstanden. I utgangspunktet er vannet i væsketilstand, og vi kjenner at 1 liter vann veier 1 kg, som gir oss et spesifikt volum på 0,001 m³/kg. Denne verdien kan bekreftes gjennom damp-tabeller, som gir oss spesifikke volumer for vann ved forskjellige temperaturer. For eksempel, ved 20 °C er det spesifikke volumet for vann 0,0010018 m³/kg.

Etter hvert som temperaturen stiger og når 100 °C, begynner vannet å koke. Denne faseovergangen fra væske til gass skjer uten at temperaturen øker ytterligere, og vannet blir til mettet væske. Her vil systemet inneholde både vann og damp, i en tilstand der temperaturen er konstant på 100 °C. Dette er et viktig punkt, for her dannes en mettet væske-damp-blanding, eller våtdamp. For denne blandingen er det spesifikke volumet større enn for den rene væsken, ettersom dampen opptar mer plass. Det spesifikke volumet ved 100 °C for mettet væske-damp-blanding kan for eksempel finnes i damp-tabeller, som gir en nøyaktig verdi for spesifikke volumer ved ulike temperaturer.

Når all væske er forvandlet til damp, oppnås en tilstand av mettet damp. I denne tilstanden vil dampen ha et spesifikt volum som er betydelig større enn vannet i væskeform. For eksempel, ved 100 °C er det spesifikke volumet for mettet damp 1,672 m³/kg, noe som betyr at 1 liter vann gir 1672 liter damp. Denne enorme volumøkningen er viktig i tekniske applikasjoner som for eksempel dampkraftverk, der dampens volum spiller en stor rolle i effektiviteten av turbinene.

En utfordring som oppstår i dampkoking, spesielt i industrielle sammenhenger som dampkraftverk, er at mettet damp ikke kan varmes opp videre uten å forlate den mettet tilstanden. For å oppnå høyere temperaturer må man bruke en overopphetingsprosedyre. Dette gjøres ved å varme opp mettet damp i en overopphetningsboks, hvor dampen varmes videre uten å komme i kontakt med vann, og dermed kan temperaturen overstige kokepunktet for vann.

En viktig aspekt ved forståelsen av disse prosessene er at temperatur og volum ofte er sterkt sammenknyttede egenskaper. Selv små endringer i temperatur kan føre til store endringer i volum, som vi har sett i overgangen fra væske til damp. Dette gjelder spesielt i applikasjoner som krever nøyaktig kontroll av væskevolum og temperatur, som i trykkokere eller dampgeneratorer. I slike sammenhenger er det avgjørende å bruke termodynamiske tabeller for å få presis informasjon om stoffenes egenskaper ved forskjellige forhold.

I tillegg til å forstå hvordan vann endrer fase, er det viktig å være klar over at disse endringene skjer under spesifikke betingelser, som temperatur og trykk. Derfor er det ikke alltid mulig å forvente en lineær sammenheng mellom energiinnførsel og temperaturøkning, spesielt i situasjoner der faseoverganger er involvert. Videre kan forskjellige stoffer oppføre seg forskjellig, og det er derfor viktig å kjenne de fysiske egenskapene til materialet som behandles.

Hvordan reversibilitet og entropi utfordrer våre forståelser av naturens lover

Boltzmanns argument om entropi og irreversibilitet, til tross for de utfordringene det møter i form av mikroskopiske fluktuasjoner, danner et fundamentalt element i termodynamikkens andre lov. På overflaten kan det virke som om reversibilitet er en mulig vei, men en nærmere undersøkelse av tidens asymmetri og de spesifikke betingelsene for at naturen oppfører seg på en bestemt måte, avslører et langt mer komplekst bilde.

Tenk deg et system der alle gassmolekylene er samlet i den ene halvdelen av en beholder. Hvis man venter lenge nok, vil molekylene naturlig spre seg til hele beholderen. Dette skjer på en statistisk måte: molekylene vil ikke nødvendigvis forbli på den ene siden av beholderen, og vil, etter hvert som tid går, spre seg jevnt over hele volumet. Men hvis et skillevegg blir plassert i øyeblikket molekylene er samlet på den ene siden, ville dette bryte den andre termodynamikkens lov, ettersom det innebærer en reduksjon i entropi, en prosess som ikke kan forekomme naturlig uten ekstern intervensjon. Dette er grunnen til at Boltzmanns syn på entropi som et statistisk fenomen, der fluktuasjoner kan forekomme, er så viktig.

Enkelte modeller viser at tilbakevendingen til et opprinnelig tilstand, slik som i Poincarés tilbakevendelsesteorem, kan skje i mikroskopiske systemer. Men for makroskopiske systemer, som de vi observerer i dagliglivet, er disse tilbakevendelsene urealistisk lange, og langt overskrider universets nåværende alder. Loschmidt's paradoks, som peker på at det er tidssymmetri i Newtons lover og at for hver løsning på bevegelseslikningene til et system, kan man finne en speilvendt løsning der tidens retning er motsatt, utfordrer synet på irreversibilitet. Hvis molekylenes bevegelser på et spesifikt tidspunkt kunne reverseres ved ekstern påvirkning, skulle systemet hypotetisk kunne tilbakeføre sin opprinnelige utvikling, og entropien som økte før reverseringen, ville nå minke. Dette virker i strid med vår vanlige observasjon av naturen, hvor prosesser synes å utvikle seg i en bestemt retning mot større uorden.

Dette dilemmaet ble ytterligere forsterket av Maxwell’s demon i 1871. Maxwell beskrev et tenkt vesen som kunne kontrollere en åpning i en gassfylt beholder og selektivt tillate raske molekyler å passere til den ene siden og langsomme til den andre, slik at en temperaturforskjell ble skapt, og dermed bryte den andre termodynamikkens lov. Men som Brillouin påpekte i 1951, måtte demonens observasjon av molekylene involvere energi i form av stråling, som igjen ville produsere entropi, og dermed bevare lovene om økt entropi.

En annen eksperimentell tilnærming til reversibilitet kan observeres ved å slippe en vanndråpe ned i en bolle med vann. Her ser det ut til at den kinetiske energien til dråpen sprer seg uopprettelig i vannet. Loschmidt foreslo imidlertid at dette også burde være reversibelt, og energi burde kunne trekkes ut fra vannet for å få dråpen til å stige oppover. Et eksperiment som viser dette, kan gjennomføres med en enkel kaffetrakter, hvor små dråper som faller ned i beholderen skaper sirkelbølger som reflekteres fra kantene og deretter konvergerer mot midten, og på den måten danner en dråpe som hopper oppover. Dette viser hvordan, under spesifikke betingelser, reversibilitet kan observeres på mikroskopisk nivå.

Men det er ikke likhet i tidens asymmetri mellom naturlige prosesser og fysikkens fundamentale lover som gir opphav til irreversibiliteten. Faktisk er det initialbetingelsene som er avgjørende. Når en forsker samler gasspartikler i den ene halvdelen av en beholder, etableres en tilstand med lav entropi. Etter hvert som systemet utvikler seg, vil det med overveldende sannsynlighet gå mot en tilstand med høyere entropi, som igjen representerer flere mikroskopiske realiseringer av systemet. Denne tendensen mot høyere entropi er grunnen til at vi observerer en bestemt rettethet i fysiske prosesser. Naturen, selv uten menneskelig innblanding, viser en tendens mot at prosesser utvikler seg mot tilstander med større uorden, og dette kan forklares med at Jorden og hele solsystemet er langt unna termodynamisk likevekt. Den svarte nattehimmelen er et symbol på denne termodynamiske flukten av entropi ut av systemet vårt, og er derfor en essensiell del av de lave-entropiske initialbetingelsene for naturlige prosesser.

Et annet aspekt av naturens kompleksitet kan sees i hvordan energiproduksjon kan tilpasses og utnyttes. For eksempel, i et solkraftverk i ørkenen, har man klart å utnytte solens energi ved å samle og fokusere sollys for å produsere damp, som deretter driver en turbin. Denne prosessen, som ble forsøkt av Frank Shuman i Egypt i 1916, gir et tidlig eksempel på hvordan energikilder kan utnyttes i et system langt fra termodynamisk likevekt. Hans solkraftverk var ikke bare en teoretisk drøm, men et konkret eksempel på hvordan naturlige kilder, ved å samles og brukes effektivt, kan produsere energi på en måte som ikke bryter med termodynamikkens lover.

Hvordan Solvarmeenergi Bidrar til Stabil Energiforsyning og Lagring av Energi

Konsentrert solenergi (CSP) er mer relevant fra et termodynamisk perspektiv, og derfor vil vi undersøke strukturen til CSP-anlegg i det følgende. CSP-anlegg er økonomisk bærekraftige først og fremst når de bygges i stor skala (som vist i figurer 12.5 og 12.6) og blir derfor ofte realisert i sørlandske områder. Teknisk sett har de mye til felles med konvensjonelle kraftverk, som for eksempel kullkraftverk. Begge typer kraftverk benytter en termodynamisk syklus der oppvarmet damp driver en turbin for å generere elektrisk kraft. Den termodynamiske prosessen i et solkraftverk er dermed identisk med prosessen i et konvensjonelt kraftverk, forskjellen ligger kun i måten varmen genereres på: i CSP-anlegg er det solen som varmer opp væsken i stedet for å bruke brennstoff som kull eller gass.

En av de viktigste forskjellene mellom CSP og fotovoltaiske systemer ligger i hvordan energien lagres. I et fotovoltaisk system genereres elektrisk kraft direkte, og dette systemet kan ikke lagre energi på samme måte. Derimot tar CSP-anlegg en "omvei" gjennom en termodynamisk prosess som medfører høyere investeringer og en viss virkningsgradstap. Til gjengjeld gir denne prosessen en betydelig fordel i form av lagringsmuligheter. Den oppvarmede væsken i CSP-anlegg kan lagre energi, noe som gir mulighet for justering av kraftproduksjonen etter den faktiske etterspørselen etter strøm. Når solen ikke skinner, kan CSP-anlegg fortsatt produsere elektrisitet ved å benytte lagret energi. Dette er en stor fordel i forhold til fotovoltaiske systemer, hvor strømproduksjonen stopper umiddelbart når solen ikke skinner.

Balansen mellom energiforsyning og etterspørsel kan opprettholdes med soltermiske kraftverk, noe som stabiliserer strømnettet og reduserer behovet for backup-kraftverk. Når solenergien er i overskudd, kan CSP-anlegg lagre energi ved hjelp av spesielle lagringstanker. Dette kan i sin tur brukes til å drive anlegget videre når solen ikke er tilgjengelig, som for eksempel om natten. Et godt eksempel på dette er Andasol 1-solkraftverket i Spania. Her benyttes to saltlager for å lagre varme, som gir opptil 7,5 timers drift ved full kapasitet uten sollys.

Den termodynamiske syklusen som brukes i et CSP-anlegg er basert på en varmeveksler, hvor et sirkulerende væskemedium oppvarmes til 390 °C i de paraboliske reflektorene i solfeltet. Denne oppvarmede væsken varmer deretter vannet i vann-damp-syklusen, og genererer elektrisitet i prosessen. Når det er overskudd av solenergi, blir varmeveksleren koblet til saltlagrene, og den smeltede saltvæsken pumpes fra et kaldt lager (290 °C) til et varmt lager (385 °C). Når solen ikke er tilgjengelig, pumpes saltvæsken tilbake og varmer opp den sirkulerende væsken, og kraftverket kan fortsette å operere. Dette systemet gjør at CSP-anlegg kan operere effektivt, selv når solenergi ikke er tilgjengelig.

For eksempel: Andasol 1 har en elektrisk effekt på 50 MW ved full kapasitet. Beregningene av hvor mye salt som kreves for å opprettholde driften i 7,5 timer ved hjelp av saltlagerene, tar hensyn til varmekapasiteten til smeltet salt, som er 1,5 kJ/(kg·K), og dens tetthet, som er 1950 kg/m³. For å oppnå den nødvendige energimengden på 1,35 × 10¹² J i løpet av 7,5 timer, kreves det en spesifikk mengde salt. Beregningene viser at rundt 28 500 tonn salt er nødvendig for å oppnå denne energimengden.

Solkraftverk er derfor i stand til å balansere strømforsyningen mer fleksibelt enn fotovoltaiske systemer, og kan bidra til å jevne ut variasjoner i strømnettet som følge av ustabile solforhold. Dette gjør at solkraft kan bli en pålitelig kilde til energi, spesielt når den kombineres med effektive lagringsløsninger.

Den termodynamiske prosessen som styrer disse kraftverkene er basert på en standard varme-prosess som også brukes i konvensjonelle varmeverk, som kullkraftverk eller kjernekraftverk. Her benyttes vann eller damp som arbeidsmedium, og en rekke prosesstrinn sørger for at en del av den tilførte varmen omdannes til arbeid som kan generere elektrisitet. Etter at vannet er presset til høytrykk, føres det inn i varmeveksleren hvor det varmes opp og til slutt omdannes til damp. Denne dampen driver en turbin som i sin tur driver en generator, og prosessen fortsetter i et lukket system. Etter å ha passert gjennom turbinen, kjøles dampen ned i en kondensator og returneres deretter til pumpesystemet for å starte syklusen på nytt.

En mer detaljert forståelse av prosessen kan fås ved hjelp av Clausius-Rankine-prosessen, som beskriver de ideelle stadiene i en vann-damp-syklus. Denne prosessen kan visualiseres i T-s-diagrammer, som viser sammenhengen mellom temperatur og entropi under de forskjellige trinnene i syklusen. Diagrammet gir et klart bilde av hvordan varmeenergi tilføres og fjernes fra systemet, noe som er avgjørende for å forstå hvordan varme kan omdannes til mekanisk arbeid og elektrisitet.

CSP-teknologiens effektivitet og pålitelighet som energikilde er avhengig av de termodynamiske prosessene som styrer syklusene i anleggene. En grundig forståelse av disse prosessene, og hvordan de kan tilpasses for å imøtekomme behovet for stabil og lagret energi, er avgjørende for at solenergi skal kunne spille en større rolle i fremtidens energiforsyning.

Hvordan temperaturøkning påvirker varmeoverføring gjennom betongvegg

Når vi ser på varmeoverføring gjennom materialer som betong, er det viktig å forstå hvordan temperaturforskjeller på ulike sider av en vegg kan påvirke varmefluksen. I et konkret eksempel ser vi på en massiv betongvegg med tykkelsen 36,5 cm, hvor innendørs temperatur er 19 °C, og utendørs temperatur er 5 °C. Veggen har en bredde på 11,5 meter og en høyde på 3,8 meter. Denne situasjonen kan belyse effekten av temperaturforandringer på varmeoverføringen gjennom materialet.

For å beregne varmefluksen bruker vi Fouriers lov for varmeledning. Denne loven sier at varmefluksen (Q̇) er proporsjonal med temperaturforskjellen og materialets termiske ledningsevne. I dette tilfellet er den termiske ledningsevnen til lettbetong 0,21 W/(m·K). Ved å sette inn verdiene i formelen får vi en varmeflux på 352 W når den innendørs temperaturen er 19 °C og utendørs er 5 °C. Hvis vi hever den innendørs temperaturen med 5 °C, øker varmefluksen til 453 W, noe som betyr at varmeoverføringen er nesten 30% høyere. Dette resulterer i høyere oppvarmingskostnader. Økningen i varmeoverføring skjer på grunn av den større temperaturforskjellen mellom innendørs og utendørs forhold.

For å unngå høyere kostnader ved oppvarming er det derfor viktig å unngå unødvendige temperaturøkninger innendørs. Selv små endringer i temperaturen kan ha en betydelig effekt på varmefluksen, og derfor på de totale oppvarmingskostnadene. I praksis er det ofte ikke de nøyaktige overflatetemperaturene på veggene som er kjent, men snarere omgivelsestemperaturen, som kan variere litt fra den faktiske overflatetemperaturen. Denne forskjellen tas imidlertid hensyn til ved hjelp av varmeoverføringskoeffisienten, som er viktig for å få nøyaktige beregninger av varmefluksen.

Det er også viktig å merke seg at varmeledning gjennom faste materialer som betong kan være ganske effektiv, avhengig av materialets termiske ledningsevne. Lettere betong har en lavere termisk ledningsevne enn tungbetong, som betyr at varmetransporten gjennom lettbetong er lavere. Dette kan være en fordel i bygninger som trenger å opprettholde stabile innendørstemperaturer, spesielt i regioner med varierende klima.

I tillegg til varmeledning, er det også andre mekanismer som påvirker varmeoverføring i bygninger. Varmeoverføring kan også skje gjennom stråling, som ikke er avhengig av et fast medium, og som kan føre til betydelige temperaturforskjeller mellom objekter. Strålingsvarme er en viktig faktor når vi vurderer varmebalansen i et rom, spesielt når vi har varmekilder som sollys eller radiatorer som kan bidra til temperaturøkning på overflater som vegger og gulv.

Ved å forstå hvordan forskjellige mekanismer som varmeledning og stråling påvirker energiutveksling, kan vi optimalisere varmebruk i bygninger. Det er viktig å ha en helhetlig tilnærming når man planlegger oppvarming i bygninger, og å forstå at små justeringer i temperaturer kan føre til store endringer i energiforbruket.

Når det gjelder varmeoverføring via stråling, kan vi observere at alle objekter avgir termisk stråling. Dette er elektromagnetisk stråling, akkurat som lys og radiobølger, og kan forekomme selv i vakuum. Stråling er derfor et viktig tillegg til varmeledning, spesielt i åpne områder eller der det ikke er fysisk kontakt mellom varmeobjektene. Plancks strålingslov beskriver spekteret av den termiske strålingen fra et ideelt strålingsobjekt, og viser hvordan temperaturen påvirker bølgelengden til strålingen. For objekter med høy temperatur, som solens overflate, ligger den maksimale strålingsbølgelengden i det synlige spekteret, noe som gjør at vi ser et klart lys. Jo høyere temperaturen på et objekt, jo mer energi sendes ut i form av stråling, og jo kortere blir bølgelengdene til strålingen.

I praksis kan forståelsen av Plancks strålingslov og Wien’s forskyvningslov være avgjørende for å forstå hvordan objekter med forskjellige temperaturer avgir energi. Wien’s forskyvningslov viser at den maksimale bølgelengden for stråling flytter seg mot kortere bølgelengder når temperaturen øker. For eksempel, ved romtemperatur (ca. 20 °C) er den maksimale bølgelengden for termisk stråling rundt 9,9 µm, som er i den infrarøde delen av spekteret, mens for et glødende stål ved 1100 °C er den maksimale bølgelengden mye kortere, nærmere 2,1 µm, noe som plasserer strålingen nær det synlige lyset.

Endringer i omgivelsestemperaturer og objektets strålingsutslipp er derfor viktige faktorer når man vurderer varmetap og energiforbruk i bygninger. I tillegg til å forstå de grunnleggende prinsippene for varmeledning, bør også strålingsmekanismer tas i betraktning når man evaluerer bygningens termiske effektivitet og energiforbruk.

Hvordan velge riktige nåler og tråder for quilting?
Hvordan evaluere og feilsøke autonome systemer i komplekse arbeidsflyter
Hvordan kommunisere effektivt om helseproblemer på et annet språk?