Energiens enheder

Lad os sætte os i en rundkreds med Newton, Watt, Joule, Volta og Ampère og få styr på de enheder! De gamle mænd ville vende sig i graven, hvis de vidste hvordan vi roder rundt med deres navne, når vi forsøger at sætte tal på kraft, effekt, energi, spænding og strøm. Så svært er det jo ikke! Men jeg tager forbehold for fejl i det følgende...

Kors hvor er det irriterende og forvirrende når der ikke er styr på enheder som Megawatt og Kilowatt-timer. Det er dog næsten umuligt helt at undgå disse fejl, men lad os i det mindste prøve, for det er blevet uhyre vigtigt i en tid, hvor energiinfrastrukturen er under stor forandring. Vi bevæger os nu hastigt væk fra fossile brændsler med et mix af kemisk og elektrisk energi over til et fleksibelt netværk af primært bæredygtig elektrisk energi.


Her er et diagram, som nok kan virke som det rene nonsens for dig. Og selv om du måske kender alle disse enheder, har du næppe set dem fremlagt som et juletræ før, med Joule som stjernen i toppen :-)

V · A = W
W · s = J
kg · g = N
N · m = J


kg: kilogram
g: tyngdeaccelerationen 9,80665 m/s²
N: Newton
m: meter
V: Volt
A: Ampere
W: Watt
s: sekunder
J: Joule


Når man sætter sig for at forklare lidt om enheder for kraft, effekt, energi, spænding og strøm, så må man jo begynde et sted, og derfor vil jeg begynde med min egen huskesætning, som jeg har konstrueret for at gennemskue hvordan alt dette hænger sammen. Lyder sådan her:

"Hvis du løfter et æble på godt hundrede gram en enkelt meter lodret op i luften på et sekund, så har du påført æblet en kraft på en Newton over en meter ved at lade din arm arbejde med en effekt på en Watt i et sekund, hvilket har kostet en lagret energireserve i din arm på en Joule. Bruger du en elmotor til løftearbejdet skal effekten af strømforsyningens Volt og Ampere være præcis en Watt i et sekund."

Det var det! Så enkelt er det! Nu kan du omregne alle andre energiforhold. Nå ja, det var mange nye ord og bogstaver... Men de kommer ikke ud af ingenting. De kommer fra nogle forældres fantasifulde beslutninger om, hvad de ville kalde deres drengebørn. Så lad mig derfor introducere følgende fem herrer, inden vi kikker nærmere på juletræet.

Sir Isaac Newton (5. december 1642 – 20. marts 1726) beskrev sig selv som "naturfilosof". Han var matematiker, astronom og, ikke mindst, fysiker. Han er nok den der har haft størst videnskabelig indflydelse af dem alle. Hans bog "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" fra 1687 lagde hele grundlaget for klassisk mekanik.

Historien om at Newton skulle være kommet på teorien om tyngdekraft ved at få et æble i hovedet, er måske delvist sand, idet han ikke selv har sagt han fik æblet i hovedet, men blot så det falde.

Under alle omstændigheder, så er den enhed vi nu kender som Newton (N) et udtryk for kraftpåvirkning. En kugle der ligger på en plan overflade, vil begynde at trille hvis man påfører en kraft, altså skubber til den. Hvis der ikke er nogen modstand, vil kuglen blive ved med at trille i samme retning med samme hastighed indtil den påvirkes af en modsatrettet kraft. Hvis den kraft er præcis lige så stor og i modsat retning, vil kuglen ligge stille igen. I dagligdagen skal vi dog ofte forholde os til rullemodstand, vindmodstand, gnidningsmodstand, tyngdekraft osv. Kræfter der som regel arbejder imod det vi vil, som fx. at cykle, flyve, løfte osv.

Helt kort: hvis du vil flytte en genstand, skal du påvirke den med en kraft N (Newton) over en afstand.

James Watt (30. januar 1736 – 25. august 1819) er mest berømt for at have forbedret den allerede opfundne dampmaskine med en vanddampkondensator i 1781, som øgede ydelsen betragteligt. Hans mekaniske snilde gjorde maskinen brugbar til et væld af applikationer, og den industrielle revolution var dermed en realitet. Det lykkedes ham at blive velhavende på hans design, men kun fordi han fik hjælp, for som han selv skulle have sagt "jeg vil hellere stå ansigt til ansigt med en ladt kanon, end forhandle en kontrakt".

Watt var sjovt nok ophavsmanden bag effekt-enheden hestekraft, men nu lægger han navn til effekt-enheden Watt. Enheden HK (hestekraft) er stadig populær, og er fra starten blot defineret som den effekt, der er nødvendig for at løfte en masse på 75 kg præcis 1 meter lodret op fra jordens overflade i løbet af 1 sekund. Om det er en stor eller lille hest der skal til, melder historien ikke noget om. En moderne metrisk HK er en fælles standard, hvor 1 HK = 75 kg · g (tyngdeaccelerationen 9,80665 m/s² · 1 m/s) = 735,499 W (Watt). Omvendt kan man sige at 1 kW = 1,36 HK.

Helt kort: hvis du vil flytte en genstand, skal du påvirke den med en effekt W (Watt) over et tidsrum.

James Prescott Joule (24. december 1818 – 11. oktober 1889) var fysiker og brygmester, og det var i hans daglige arbejde på hans bryggeri at han excellerede i fysik og mekanik. I 1841, da han udskiftede de gamle dampmaskiner med den nyopfundne elektromotor, begyndte han at se sammenhængen mellem mekanisk arbejde og varmeudvikling (loven om energiens bevarelse), og fandt desuden at modstanden i elektriske ledere skabte varme (Joules 1. lov). Han lægger navn til den enhed vi i dag bruger om energiomsætning.

Det kan i daglig tale være svært at skelne mellem Watt og Joule, men du kan betragte det sådan her: en klat smør indeholder en mængde kemisk bundet energi (Joule), som kan forbrændes og omsættes til effekt (Watt) i dine muskler. Vi støder på Joule hver eneste dag på varedeklarationen på alle vores fødevarer. En pakke smør på 250 gram indeholder ca. 7500 kJ energi i form at fedtstoffer. Joule er måske den mest berømte videnskabsmand, målt i eksponering på emballage.

Helt kort: hvis du vil flytte en genstand, skal du omsætte en vis mængde energi J (Joule) per tidsenhed.

Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (18. februar 1745 – 5. marts 1827) har fået æren for i 1799 at have opfundet verdens første batteri, kaldet Voltaic stak. Det var startskuddet på et helt nyt videnskabsfelt kaldet elektrokemi, som går ud på at bruge metalers egenskaber til at binde og frigive elektroner i dertil egnede substrater. Volta's batteri bestod af skiver af kobber og zinc stakket skiftevis, og nedsænket i saltvand. I nyere tid er den mest udbredte batteritype den man finder i motorrummet på almindelige biler, nemlig bly-akkumulatoren, der ganske enkelt består af blyplader nedsænket i svovlsyre. Nu ser det dog ud til at Lithium-Ion batterierne tager føringen.

I ethvert elektrisk kredsløb har man spændingsfald (ligesom et vandfald), og jo højere spænding (tryk) der er på elektronerne i strømkilden (fx. et batteri), jo mere effekt får man som resultat. Volta har lagt navn til denne spændingsforskel mellem start og slut i et elektrisk kredsløb, og det kaldes Volt (V).

Helt kort: hvis du vil øje effekten W (Watt) i en elmotor, kan du øje spændingen V (Volt) på strømkilden.

 

André-Marie Ampère (20. januar 1775 – 10. juni 1836) var en af grundlæggerne i arbejdet med elektromagnetisme, som han selv kaldte elektrodynamik. Hans arbejde med elektrisk strøm er nødvendig at forstå i sammenhæng med Volta's elektriske spænding. Ampère lægger navn til mængden af elektroner der parallelt kan flyde gennem et kredsløb.

For at forstå Volt og Ampere i sammenhæng kan man tænke på en vandslange og se på vandet der strømmer ud. Tykkelsen af slangen angiver hvor tyk vandstrålen kan være (Ampere) og trykket fra vandforsyningen angiver hvor hurtigt vandet sprøjter (Volt). Forestil dig nu at vandstrålen rammer et vandmøllehjul, og det bliver tydeligt at hjulet vil snurre hurtigere (Watt) hvis du øger enten slangens tykkelse (Ampere) eller vandforsyningens tryk (Volt), eller begge dele!

 

Sagt på en anden måde: vandkande = lavt vandtryk og høj vandmængde = behageligt og ufarligt. Vandpistol = højt vandtryk og lav vandmængde = ubehageligt men ufarligt. Vandkanon = højt vandtryk og høj vandmængde = ubehageligt og farligt!

 

Helt kort: hvis du vil øje effekten W (Watt) i en elmotor, kan du øge strømstyrken A (Ampere) i kredsløbet.

Nu da vi har set hvor enhederne har deres bogstaver fra kan vi med et minimum af matematisk gymnastik udlede et væld af information, hvis man blot kender et par fakta i forvejen. Lad os opsummere de netop navngivne enheder, og kikke lidt på juletræets pynt hver for sig:


N (Newton) = kraftpåvirkning, W (Watt) = effekt, J (Joule) = energiomsætning, V (Volt) = elektrisk spænding, A (Ampere) = elektrisk strøm

 

N · m = J
(en kraft på 1 Newton over en afstand på 1 meter medfører en energiomsætning på 1 Joule)

 

W · s = J
(en effekt på 1 Watt udløst i 1 sekund medfører en energiomsætning på 1 Joule)

V · A = W
(en spænding på 1 Volt med en strøm på 1 Ampere medfører en elektrisk effekt på 1 Watt)

 

kg · g = N
(en masse på 0,102 kg påvirkes af en kraft på 1 N ved jordens tyngdeacceleration g)

 

W = J / s
(en konstant effekt på 1 Watt medfører en energiomsætning på 1 Joule per sekund)

 

 

1 kW (Kilo-Watt) = 1000 W


1 kWh (Kilo-Watt-time) = 3600 kJ
1 liter benzin indeholder ca. 8 kWh
 kemisk energi
1 kg Li-Ion batterier kan lagre 0,12 kWh
 elektrisk energi
1 kg chokolade inderholder 7,5 kWh
 kemisk energi
1 lyn udløser 30-300 kWh
 elektrisk energi
1 kg 5%Uran235 kan udløse 1 mio kWh
 fissionsenergi

 

 

For dig som ikke er fuldstændig udmattet af alt det jeg lige har kastet efter dig, er her nogle dagligdags eksempler du kan prøve at gennemskue:

  • En elcykel har et batteri på 36 V (Volt) og 15 Ah (Ampere-timer). Batteriets energiindhold er derfor 36 V · 15 Ah = 540 Wh (Watt-timer). En elcykel bruger mellem 10 - 20 Wh/km afhængig af vind og vejr, og den pågældende elcykel har derfor en rækkevidde på mellem 27 - 54 km.

  • En plade mørk chokolade på 100 gram indeholder 2700 kJ (kilo-Joule) energi. Det er derfor det samme som 2.700.000 Ws (Watt-sekunder) = 750 Wh (Watt-timer). Hvis du cykler stille og roligt med 15 km/t så tramper du ca. 100 W i pedalerne. 3/4 af af chokoladen bruges i din krop til stofskifte og 1/4 bruges til effekt i musklerne, altså yder du 400 W i alt når du tramper med 100 W. De 750 Wh energi i chokoladen giver dig altså en cykeltid på 750 Wh/400 W = 1,9 timer og dermed en rækkevidde på 28 km.

  • MHI Vestas nye kæmpemølle V164 har netop slået rekord med 216.000 kilowatt-timer produceret på 24 timer. 216.000 kWh = 216 MWh (Megawatt-timer). Møllens gennesnitseffekt over rekorddøgnet er dermed 216 MWh/24h (timer) = 9 MW (Megawatt). Hvilket sjovt nok lige præcis er den opgraderede maksimalydelse for V165'eren.

  • En liter benzin indeholder 30 MJ (Megajoule) energi. En almindelig bil kører 20 km på en liter benzin. Der omsættes altså 30 MJ/20 km = 1,5 MJ/km = 1.500.000 J/km = 1.500.000 Ws/km = 417 Wh/km = 0,417 kWh/km. En elbil med 20 kWh batteri kan køre 110 km på en opladning og bruger dermed 20 kWh/110 km = 0,18 kWh/km, og er dermed over dobbelt så energieffektiv som benzinbilen.

  • 1000 ton vand løber 100 meter ned gennem turbinen på et vandkraftværk der er 90% effektivt. Tyngdeaccelerationen her på jorden (9,80665 m/s²) gør at turbinen udsættes for en kraft på ca. 10.000.000 N (Newton) (1.000.000 kg vand delt i 100 grams enheder). På 100 meters fald giver det 1.000.000.000 J (Joule), som er 1.000.000 KJ, som igen er ca. 278 kWh. 90% effektivitet giver så 250 kWh. Hvis turbinen kan håndtere 40.000 ton vand i timen, er den maksimale konstante effekt altså 250 kWh · 40.000 ton/h / 1000 ton = 10.000 kW = 10 MW (MegaWatt).

  • Et nyt TV bruger 1 W når det er slukket i stand-by. Det er tændt i gennemsnit 4 timer hver dag. Altså er det slukket 365 · 20 = 7300 timer om året. Stand-by strømforbruget er derfor 1 W · 7300 h = 7300 Wh = 7,3 kWh. Hvis en kilowatt-time koster 2,25 kr bliver til et spild på 16,5 kr...

  • En sikring i elskabet er på 13 A (Ampere). Kan sikringen klare en elkedel (1000 W) og en støvsuger (1200 W) og en hårtørrer (900 W) der er tændt samtidig? 1000 + 1200 + 900 W / 230 V (Volt) = 13,48 A. Sikringen vil brænde over efter få sekunder med alle tre apparater tændt samtidig.

  • 1 kWh elektricitet koster 2,3 kr. 1 liter benzin koster 10,5 kr. 1 kWh elektricitet = 3,6 MJ (Megajoule). 1 liter benzin indeholder 30 MJ energi. Prisen for 1 MJ elektricitet er dermed 0,64 kr. hvorimod prisen for 1 MJ benzin kun er 0,35 kr. Gad vide hvorfor benzin er så billig?

 

Skriv en kommentar

Kommentarer: 0
Få besked om nye opslag:
Støt mig med bidrag

Book mig på Foredragsportalen.
Støt mig på Patreon.

Læs om mine foredrag

Lifelike | Jesper Berggreen | Fasanvej 10 | 8544 Mørke | CVR 35691146 | Email: jesper@lifelike.dk