Hva er den mest effektive måten å varme opp hjemmet på?

For å motvirke klimaendringene må vi ta tak i årsakene. Klimamodellering viser at temperaturøkningen nesten helt sikkert skyldes menneskelige aktiviteter, særlig økningen av klimagasser i atmosfæren. Karbondioksid (CO2) spiller en hovedrolle i dette. Denne klimagassen produseres i alle forbrenningsprosesser, som for eksempel ved forbrenning av kull, olje eller naturgass. CO2-utslippene som menneskene forårsaker, er derfor uunngåelig knyttet til vårt energiforbruk fra fossile energikilder. Fra et politisk ståsted er det satt i gang store programmer for å bekjempe klimaendringene. Dette reiser spørsmålet: Hvilke tiltak for å redusere CO2-utslippene er faktisk mulige, og hvilke av dem har det beste forholdet mellom innsats og nytte? I hvilke sektorer kan vi forvente store effekter med rimelig innsats – og hvilke tiltak er mindre effektive? Dette er typiske spørsmål som fysikk kan hjelpe oss med å besvare.

Termodynamikk kan bidra til å finne mer økonomiske oppvarmingsalternativer. Effektiv varmeisolasjon for bygninger kan for eksempel redusere varmeledning gjennom vegger. Denne delen av boken fokuserer på en metode for å redusere energiforbruket til oppvarming: bruken av varmepumpe.

Energieffektivisering fikk en ny drivkraft på 1970-tallet, som et resultat av oljekrisen. Som reaksjon på de kraftige energikostnadene ble det innført strengere forskrifter for termisk isolasjon i bygninger, og disse ble gradvis skjerpet over tid. Oppvarmingsteknologien ble ytterligere forbedret. Forbrenningen i kjeler er i dag mer effektiv, og systemene er utstyrt med elektroniske kontroller for mer målrettet bruk. I kondenseringskjeler utnyttes til og med kondensasjonshvarmen fra vanndampen i eksosgassene.

Til tross for disse forbedringene har det underliggende konseptet for oppvarming av boliger alltid vært det samme. Et brensel blir brent, og en viss mengde energi slippes ut i prosessen – varmeverdien (eller kaloriverdien) til materialet. Dette bestemmes av den kjemiske naturen til forbrenningsreaksjonene og kan ikke endres. Maksimal effektivitet virker å være oppnådd når all energien som frigjøres under forbrenningen overføres til rommene (figur 8.3 (a)). Man kan ikke gjøre det bedre enn det, vil man kanskje tenke. Det som virker åpenbart, er imidlertid i strid med fakta. Man kan faktisk levere mer energi til hjemmet med samme mengde brensel. Ett av de mest bemerkelsesverdige funnene i termodynamikken er følgende prinsipp: Den mest termodynamisk effektive måten å varme opp et hus på er ikke å brenne ved, olje eller naturgass og bruke all energien som slippes ut til å varme opp rommene. Gitt energiens bevaring er det vanskelig å forestille seg noen alternativer. Man kan ikke få mer ut av en liter olje eller en kubikkmeter naturgass enn dens iboende energiverdi. Dette er sant. Men man kan bruke energien i brenslet mer smart enn bare til direkte oppvarming. For eksempel kan man bruke energien til å drive en varmepumpe.

Bruken av en varmepumpe er en termodynamisk effektiv metode for oppvarming. Den tilgjengelige energien blir ikke «varmet» direkte, men en varmepumpe kjøres for å hente ekstra energi fra omgivelsene. Varmepumper drives vanligvis ikke med brensler som olje eller gass, men med elektrisitet. For øvrig fungerer både aircondition og kjøleskap etter samme prinsipp. Fra et termodynamisk ståsted kan begge klassifiseres som varmepumper.

Varmepumpens energibalanse er basert på to termiske reserver: huset og omgivelsene. Begge reservene er så store at temperaturen deres ikke endres vesentlig selv når varme tilføres eller fjernes fra dem. Dette er et svært godt approksimasjon for uteluften, men en idealisering for interiøret i et hus. Vi antar at temperaturen i hjemmet endres minimalt over en kort tidsperiode. Temperaturen på de to reservene betegnes som TL (lav temperatur) og TH (høy temperatur).

Endtext

Hvordan forstå Clausius-Rankine-prosessen i dampkraftverk

Clausius-Rankine-prosessen, som er et av de grunnleggende termodynamiske syklusene i dampkraftverk, kan illustreres på et T-s-diagram (temperatur-entropy-diagram). Denne prosessen beskriver hvordan varmeenergi overføres til en dampturbin for å generere arbeid, og hvordan varme deretter fjernes fra systemet ved hjelp av en kondensator. For å forstå hvordan dette systemet fungerer, er det viktig å ha en grundig innsikt i de enkelte tilstandene i prosessen og hvordan de relaterer til varmeutveksling og arbeid.

I en ideell Clausius-Rankine-prosess skjer varmeoverføringen mellom ulike stadier i systemet. Når varme tilføres til vannet, blir det omdannet til damp. I et T-s-diagram representeres varmeoverføringen som et område under kurven, og dette området er direkte relatert til det arbeid som genereres i en syklus. I den ideelle prosessen tilføres varme mellom punktene C og D, og fjernes mellom punktene A og B. Området mellom disse punktene gir et mål for mengden arbeid som utføres per syklus.

En viktig detalj er at disse forholdene kun gjelder i tilfelle av reversible prosesser. I praksis vil irreversibiliteter som friksjon, varmelekkasje og andre ufullkommenheter i systemet føre til at entropien endres, noe som gjør tolkningen av T-s-diagrammet mer kompleks. Irreversible prosesser innebærer at ikke all tilført energi kan omdannes til arbeid, noe som senker den totale effektiviteten til systemet.

I tilstand D, som oppstår ved utløpet av varmeveksleren, blir vannet oppvarmet til mettet damp ved konstant trykk på 100 bar. Dette skjer ved en temperatur på 311 °C. Denne dampen ekspanderer deretter i turbinene, og temperaturen og trykket synker mens arbeid overføres til generatoren. Prosessen er representert i T-s-diagrammet som en vertikal linje mellom punktene D og A, der dampen er i en blandingstilstand, både i form av væske og damp. Denne blandingen kan føre til at dampdråper dannes i turbinene, noe som kan føre til mekanisk slitasje.

Arbeidet som utføres av turbinen er ikke helt tilgjengelig, da en liten andel av det går med til å drive fødepumpen. Det er derfor viktig å analysere forholdet mellom det arbeidet som genereres og den energien som tilføres systemet, for å forstå den totale effektiviteten til prosessen. Effektiviteten til systemet kan uttrykkes som forholdet mellom nettoarbeidet som utføres av turbinen og den totale varmeenergien som tilføres systemet. En beregning av effektiviteten gir et resultat på 38 %, som er andelen av energien som tilføres varmeveksleren og som omdannes til nyttig arbeid.

Det er viktig å sammenligne effektiviteten til Clausius-Rankine-prosessen med Carnot-prosessen, som representerer den ideelle maksimalen for effektivitet i en varme motor som opererer mellom to faste temperaturer. Ifølge den andre loven om termodynamikk er Carnot-prosessen optimal under gitte forhold. I vårt eksempel, med en minimumstemperatur på 41,5 °C og en maksimumstemperatur på 311 °C, gir Carnot-effektiviteten et høyere resultat på 46 %. Dette kan virke forvirrende, spesielt fordi vi i modellen av Clausius-Rankine-prosessen antar at alle prosessene er reversible. Men det er viktig å merke seg at Carnot-prinsippet gjelder for en ideell prosess der varmeoverføringen skjer mellom to faste temperaturer, mens i Clausius-Rankine-prosessen varmes vannet gradvis fra 41,5 °C til 311 °C.

I tillegg bør man forstå at for å forbedre effektiviteten i dampkraftverk, er det viktig å minimere disse irreversibilitetene så mye som mulig. Dette kan oppnås ved å bruke høyere temperaturer og trykk, bedre varmevekslingsteknologier, og mer effektive turbiner og pumper. Moderne solkraftverk, som det kaliforniske SEGS VI-anlegget, benytter denne teknologien i større skala, og deres drift gir verdifulle data for hvordan man kan optimalisere slike prosesser.

Hvordan kan Stefan-Boltzmann-loven forklare energiproduksjonen fra solen og satellittens varmestrøm?

Reaksjonsligningen for hydrogen og oksygen som kombineres i en kjemisk reaksjon, er:
$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O, \Delta H = -286 kJ.$

For å beregne hvor lenge solen kan fortsette å sende ut energi på denne måten, kan Stefan-Boltzmann-loven brukes til å estimere radiativeffektens varighet. Strålingskraften fra solen, som kan uttrykkes gjennom Stefan-Boltzmann-loven, er:

Den maksimale tiden solen kan skinne under forutsetningen av denne energiproduksjonen er da:
$t = \frac{|E_{\text{chem}}|}{|\dot{Q}_{\text{radiation}}|} = 8.09 \times 10^{10} \, \text{s} = 2565 \, \text{år}.$

I løpet av 1960-tallet gjennomførte både USA og Sovjetunionen eksperimenter med satellitter drevet av kjernefysiske reaktorer. En av de største tekniske utfordringene var å avgi varmen produsert av reaktoren. Den eneste måten å kjøle ned satellittene på var å bruke termisk stråling. Eksempelet på satellitten "Snapshot", som ble sendt ut i 1965, viser hvordan strålingen fra en kjernefysisk reaktor kan estimeres. Satellitten hadde en reaktor som genererte 30 kW varmeeffekt, og radiatorene som var synlige på bildet hadde et areal på 5,81 m². Ved å bruke Stefan-Boltzmann-loven kan temperaturen til radiatorene estimeres.

Strålingens temperatur justerer seg slik at all energi som omdannes i reaktoren, avgis gjennom stråling:
$\dot{Q}_{\text{radiation}} = P_{\text{nuclear}}.$
Stefan-Boltzmann-loven kan anvendes for å uttrykke:

Temperaturen til et legeme i strålingens termiske likevekt er et resultat av den energien som tilføres og den energien som stråles ut. På samme måte er temperaturen til jorden og andre planeter et resultat av denne balansen mellom innkommende og utgående stråling. Dette fenomenet gjelder også for objekter som for eksempel en bil stående i solen – temperaturen øker inntil varmen som stråles ut, er lik varmen som tilføres.

Kirchhoffs lov om absorpsjon og emisjon spiller også en viktig rolle i forståelsen av termisk stråling. Alle legemer absorberer og emitterer termisk stråling, men mengden stråling som absorberes, avhenger av materialet, temperatur og overflatestruktur. For å forenkle, antar vi at absorpsjon og emisjon er relatert. Kirchhoffs lov sier at et legeme som er omgitt av termisk stråling, vil emittere like mye stråling som det absorberer på hver bølgelengde og i hver retning. Dette forholdet mellom absorpsjon og emisjon gir oss innsikt i hvordan objekter i strålingens termiske likevekt oppfører seg.

Når det gjelder varmeoverføring mellom to flater, kan vi forstå mekanismen ved at varme alltid overføres fra den varmere til den kaldere flaten. Imidlertid er den kvantitative formuleringen av strålingsvarmeoverføring langt mer kompleks enn den kvalitative forståelsen. Faktorer som størrelse, form og orientering mellom overflatene spiller en betydelig rolle. Bare den delen av strålingen som treffer en annen flate, kan bidra til oppvarming. Denne faktoren kalles "view factor" og er ofte den vanskeligste variabelen å beregne når man beskriver strålingsvarmeoverføring.

Endtext

Hvordan Termisk Ledning Påvirker Opplevelsen av Temperatur

Når et menneske setter seg på en stol, er opplevelsen av varme eller kulde ikke bare et resultat av omgivelsestemperaturen, men også av hvordan varme overføres fra stolens overflate til huden. Denne prosessen kan forstås gjennom termisk ledning, som er den mekanismen som beskriver hvordan varme strømmer fra et varmere objekt til et kaldere objekt. Dette prinsippet er viktig ikke bare i fysiske systemer, men også i hverdagslige opplevelser som å sitte på forskjellige materialer.

For metallstolen kan vi bruke termiske egenskaper som varmeledningsevne $\lambda_{\text{iron}}$, tetthet $\rho_{\text{iron}}$, og spesifikk varmekapasitet $c_{\text{iron}}$, som har verdiene $\lambda_{\text{iron}} = 80 \, \text{W/kg·K}$, $\rho_{\text{iron}} = 790 \, \text{kg/m}^3$, og $c_{\text{iron}} = 4 \, \text{m}^3\text{kg/K}$. Disse egenskapene beskriver hvordan metallet leder bort varme fra huden. På den andre siden, treet, som har lavere varmeledningsevne ($\lambda_{\text{wood}} = 0.13 \, \text{W/kg·K}$), tetthet $\rho_{\text{wood}} = 600 \, \text{kg/m}^3$, og høyere spesifikk varmekapasitet $c_{\text{wood}} = 1700 \, \text{m}^3\text{kg/K}$, leder varme mye langsommere.

Ved å bruke disse dataene kan vi beregne kontakt-temperaturene når en person sitter på en stol av enten metall eller tre. Med en kroppstemperatur på 37 °C og en omgivelsestemperatur på 15 °C, kan vi bruke de termiske egenskapene til materialene for å finne at kontakt-temperaturen for en metallstol er 16,4 °C, mens for en trestol er den 31,8 °C. Denne forskjellen i temperaturer forklarer hvorfor metallstoler føles kaldere enn trestoler, selv når de er utsatt for samme omgivelsestemperatur.

Kontakt-temperaturen er viktig å forstå, fordi den er det som faktisk oppleves av huden. I huden er det termoreseptorer som reagerer på endringer i temperatur. På metallstolen, hvor temperaturen er lavere, føler huden en raskere varmeoverføring, og det skaper en følelse av kulde. På trestolen, derimot, skjer varmeoverføringen langsommere, og huden opplever en varmere kontaktflate, noe som gir en følelse av varme.

I tillegg til materialenes spesifikasjoner er det flere andre faktorer som kan påvirke vår opplevelse av temperatur. Luftfuktighet, for eksempel, kan endre hvordan varme oppleves. Høy luftfuktighet kan forstyrre kroppens evne til å kvitte seg med varme, og dermed kan en stol føles varmere, uavhengig av materialet.

Endelig kan kroppens tilstand også ha innvirkning på hvordan vi oppfatter temperatur. Hvis kroppen er kald, vil den reagere raskere på varmeledning, og omvendt, hvis kroppen er varm, kan den føles mindre følsom for temperaturforskjeller.