SOLENERGI Utdrag från (av Torbjörn Peterson, Guy Madison m fl), skriven: 1994-12-31, språk: Svenska Ekologi är läran om "allt" som händer i naturen. För att kunna greppa detta omfattande skeende kan ekologi brytas ner i olika delvetenskaper. De två viktigaste och grundläggande begreppen inom ekologin är energi och materia, och deras flöden genom och kring levande organismer.
Materian återanvänds i oändlighet i ett slutet kretslopp medan energi flödar genom processen och degraderas till (slutar som) värme.BiosfärenGrundläggande rumsliga begrepp inom ekologin är atmosfären - luftrummet, hydrosfären - vattnet och litosfären - berggrunden. Delar av dessa tre delar bildar tillsammans biosfären - den ytterst tunna hinna på jorden som rymmer biologiskt liv. Den produktiva biosfären omfattar utrymmet mellan den högsta punkt där
fotosyntes kan äga rum i höglänta bergstrakter till den djupaste punkt i haven dit solljuset når och driver fotosyntes i encelliga alger. I vidsträckt mening omfattar biosfären luftrummet högt ovan bergstopparna där luftplankton, sporer, frön och mikrofauna blåser omkring redo att kolonisera outnyttjade och lediga fläckar och djuphavens bottnar på tusentals meters djup där organismer lever i evigt mörker, ätande konserverad sol i form av nedfallande dött material.
Om jorden liknas vid ett äpple är hela biosfären inte tjockare än äpplets tunna skal.Vätebomben som väcker livVår sol är den yttersta förutsättningen för liv i vårt solsystem. Solen är den mest formidabla vätebomb vi skådat. Den befinner sig i konstant explosion som varat i femtusen miljoner år, och den beräknas fortsätta sin explosion i ytterligare femtusen miljoner år.
Den totala solenergi som träffar jorden är 30 000 gånger större än mänsklighetens hela energiutnyttjande och den energi som åtgår till att dunsta vatten från jordytan är 7000 gånger större än energin som används av människor. Den energimängd som binds av jordens gröna växter är endast någon procent, men är ändå fullt tillräcklig för att understödja jordens myllrande biologiska liv, kanske 10 miljoner nu levande arter representerade av hundratals miljarder individer.
Materian - myllrets byggstenarVarje materiellt föremål på jorden består av ett eller flera av de närmare hundra grundämnen som är stabila under de förhållanden som råder på jorden. Teoretiskt kan alla dessa ämnen kombineras på ett nästan oändligt antal sätt och antalet skulle kunna bli ett tal med över hundra nollor. Livet har trots detta nöjt sig med ett ganska litet antal ämnen.
Energi är evig och oförstörbar. Detta innebär att energi inte kan produceras eller konsumeras, bara ändra form. Normalt menar vi med energi något som uträttar arbete. Energin måste då ha en sådan form som passar för det aktuella arbetet. Om vi vill värma en kopp kaffe hjälper det inte med aldrig så mycket värmeenergi vid 20°C¸ eller lägesenergi i form av en sten som hänger i ett rep. Energin måste omvandlas till 90-gradig värmeenergi. Det är sådan
omvandling som man i dagligt tal
brukar kalla energiproduktion.
EnergiomvandlingGenom att höja temperaturen på vårt 20-gradiga vatten med en
värmepump eller låta stenen driva en friktionslamell eller elektrisk generator - som i sin tur värmer en kokplatta - kan vi värma vårt kaffe. Kaffet avger sedan en del av sin värme till omgivande luft - det svalnar - och det kaffe som är varmare än 37°C sprider sin värme till kroppen via handen.
Detta brukar man kalla energikonsumtion, men det är egentligen fråga om en omvandling till mer lågvärdiga energiformer. Vad som konsumeras är energins förmåga att utföra arbete, genom att värmen sprids ut i omgivningen och förlorar sin skillnad mot densamma.
ExergiExergi är ett mått på den del av den aktuella energimängden som har tillräcklig skillnad (kontrast) för att uträtta arbete. När kaffet är 20°C, och vi befinner oss i rumstemperatur, har exergin sjunkit till noll. Tar vi därefter med kaffet ut, där temperaturen är 5°C, har det återigen ett exergivärde. Detta innebär att energi kan uträtta arbete flera gånger, vid olika exerginivåer.
Materia och energiMateria är också energi, bunden i atomernas kärnor, som i sin tur bildar de molekyler vilka bildar kroppar. Bindningen av atomenergi är mycket stark, men en liten del av de särskilt lättkluvna uranatomernas massa omvandlas i kärnkraftverken till värmeenergi. Materia kan också ha en molekylär (kemisk) bindning av energi, vilket frigörs i elektriska batterier och vid förbränning av olja, ved och gas.
EntropiEnergins väg i vår kaffekopp följer samma principer som på jorden i stort. Alla skillnader, eller kontraster, i såväl energi som materia, strävar ständigt mot utjämning. Högvärdig energi i form av mekanisk-, kemisk-, eller lägesenergi är på väg mot lågvärdig värmeenergi, jämnt fördelad i omgivningen.
Termodynamiken kallar detta för
oordning, eller entropi. På samma sätt är materia stadd i upplösning från större enheter till mindre, för att slutligen bli stoft. Ordning är alltså ett uttryck för att materia är organiserad i kroppar och att energin är ordnad i former som kontrasterar mot varandra eller omgivningen - och har hög exergi.
Biologiskt liv och entropiFörbränning av fossila bränslen innebär dels att den lagrade, högvärdiga energin sprids ut i form av lågtempererad värme, och dels att entropin accelereras med tiopotenser. Livet på jorden representerar ett stort mått av ordning, men var kommer den ifrån, när jorden i begynnelsen var död och när allting strävar mot entropi?
Svaret är att
entropin ökar i solens kärnkraftsreaktion. En gnutta av dess energi hamnar på jorden. Enligt teorier om livets uppkomst var det just solens strålar som fick enkla molekyler att slås ihop till de komplicerade aminosyror som bildar grundstommen i vårt genetiska material.
Vegetabiliskt liv är länken som omvandlar solens energi till sådana ämnen som animaliskt liv är beroende av. Växterna klarar sig utan djur (och oss) men vi klarar oss inte utan dem. Människor och djur bidrar med sin ämnesomsättning och höga kroppstemperatur till entropin, men deras avfallsprodukter tas normalt om hand av nedbrytande organismer som för in dem i ett kretslopp. Utandningsluftens koldioxid blir till syre genom fotosyntesen och matsmältningens rester blir till kväveföreningar som åter kan användas som byggmaterial av växterna.
Såväl
oljan som kolet som ligger lagrat i jordskorpan har skapats av solens strålning. Värme från solen lyfter också vattnet ur havet upp i vattenkraftverkens dammar, och förändrar luftmassornas volym så att vind börjar blåsa. Dessutom alstrar strålningen värme med hög kontrast som kan tas tillvara av solfångare och solpaneler.
Teknologi och termodynamikI vårt teknologiska samhälle accelereras energiomvandlingen. Vad det får för konsekvenser kan man endast spekulera i, men det faktum att entropi ökningen är enkelriktad manar till eftertanke. Enkel logik säger att förutsättningarna på jorden så småningom ändras då entropinivån ändras. Frånsett direkta effekter av dessa förändringar på människans överlevnadsmöjligheter är det lätt att föreställa sig att jordens biotoper endast klarar ett visst mått av förändring per tidsenhet utan att brytas sönder och kollapsa.
Många av Sveriges sjöar är exempel på ekosystem som kollapsat efter tillförsel av bland annat konstgödsel och svavelförorenat regn. Enbart Sveriges elförbrukning motsvarar 12.500 kWh per person och år.
En person som kör bil omvandlar 50-80 kWh kemisk energi per timme till värme.Värma husUppvärmning av bostäder är ett aktuellt problem för människor som bor på nordliga breddgrader. Vi tar det som illustration till resonemanget om exerginivåer. Man kan idag skönja två huvudsakliga principer, eller kanske till och med ideologier, för att värma våra hus.
Den ena riktningen strävar efter att omvandla så lite energi som möjligt, bland annat genom att fördröja entropin och ta tillvara exergi ur närmiljön.Nära värmeNärmiljön kan vara våra egna kroppar, vilka ju alstrar värmeenergi vare sig vi vill det eller ej. Dess entropi kan fördröjas genom att den kapslas in med riklig isolering, och detsamma gäller värmen från elbelysningen vi vill använda för att kunna se under dygnets mörka timmar. Ur närmiljön kan också energi tas tillvara från de processer som drivs av solen - vind, vatten, biomassa och direkt solinstrålning. Att dessa omvandlingstekniker fungerar, och kan byggas ut till att täcka även våra nordliga behov är ett etablerat faktum
ResurssnålhetFör uppvärmning av bostäder till 20°C är poängen att värme vid en något högre temperatur är den mest ekonomiska och resurssnåla energiformen, vilken samtidigt representerar en låg energinivå. Nio av årets tolv månader kan sådan
energi till exempel utvinnas direkt ur solstrålningen med hjälp av solfångare. Reaktorhärdens temperatur på tusentals grader är en verklig "overkill", liksom egentligen all förbränning med hjälp av syre.
Från hög till lågDen andra principen innebär istället att omvandla energi från högvärdiga former som olja, uran etc. till lågvärdig värme. Den höga exerginivån, i form av temperatur sprider energin snabbare till omgivningen, som ju alltid har samma temperatur. Dessutom talar vi om komplicerade system som är geografiskt utspridda (fjärrvärme, elnät, etc.) så att kontaktytorna till omgivningen också är större. Följden blir, för storskaliga (centraliserade) och
högexergiutnyttjande omvandlingssystem, att större mängder energi sprids och entropin ökar snabbare. Man kan också spekulera i hur de storskaliga systemens organisation påverkar människornas sätt att tänka.
Vad är alternativt?Energisystem enligt den första principen (lågenergiprincipen) brukar kallas "alternativa", en beteckning som ter sig komisk i historiens ljus. Utnyttjandet av förnyelsebar solenergi i alla dess former - solvärme, vind, ved, vattenkraft etc. - är avgjort både äldre, och mera utbrett än fossil- och kärnkraft. När man först hittade olja visste man inte vad man skulle göra med den. Så småningom, sedan endast något hundratal år, har man konstruerat maskiner av olika slag som kan nyttja den.
Att segla, elda, mala säd i väder- och vattenkvarnar och vända ansiktet och boningens öppning mot solen har vi gjort i tiotusentals år. Såvitt vi kan förstå har varken människan eller hennes förfäder utnyttjat annat än solenergiformer - och då handlar det tidsperspektivet om flera miljoner år jämfört med några hundra år. Det är fossil- och kärnkraft som rätteligen borde kallas alternativa källor för
Länk:
http://www.pentronic.se/svensk/stopextra/se599/loyd.htmDan Loyds artikelserie
Strålning vid rumstemperatur?Vid temperaturmätning måste man alltid tänka på att värmeflödet beror av ledning, konvektion och strålning. Att strålningen inverkar på värmeflödet vid höga temperaturer är uppenbart. Det är dock inte lika uppenbart att strålningen har stor betydelse även i rumstemperaturområdet. För en vanlig vattenradiator gäller exempelvis att värmeflödet till rummet består av ungefär hälften strålning och hälften konvektion. I den här artikeln kommer vi att diskutera inverkan av strålning på temperaturmätning vid rumstemperatur.
Mätning av lufttemperatur - ett exempelVid mätning av lufttemperaturen i ett rum kan strålningen i vissa fall ge ett avsevärt mätfel. Uppvärmningen av rummet antas ske med hjälp av varmluft, vars temperatur är 22°C. Rummet förutsätts vara dåligt isolerat och temperaturen på väggar, tak och golv är därför 15°C. Mitt i rummet hänger en temperaturgivare, men i övrigt är rummet tomt.
Mellan temperaturgivaren och väggarna sker ett värmeutbyte genom strålning. Värmeflödet från givaren till väggarna gör att givarens temperatur sjunker under rumsluftens temperatur. Givaren tillförs nu värme från luften genom konvektion. Temperaturen hos givaren ställer in sig så att värmeflödet genom strålning från givaren till väggarna, Q
str, blir lika med det konvektiva värmeflödet, Q
konv, från luften till givaren
Q
str= Q
konvGivaren visar en temperatur som är lägre än lufttemperaturen, men högre än väggtemperaturen. Hur stort mätfelet blir beror bland annat av väggarnas och luftens temperatur, värmeövergångskoefficienten mellan luft och givare samt väggarnas och givarens strålningsegenskaper.
Värmeutbyte mellan två kroppar genom strålningFör den energi per tidsenhet, E (W), som emitteras från ideal svart kropp med arean A (m
2) och temperaturen T (kelvin, K) gäller enligt Stefan-Boltzmans lag
:::: xxxx :::::::: Se länk
där är Stefan-Boltzmans konstant, 5.67 10
-8 W/m
2 K
4. För verkliga kroppar reduceras energiflödet med det dimensionslösa emissionsförhållandet,
E. Några ungefärliga värden på
E. vid rumstemperatur ges i tabellen nedan
Typ av yta Emissionsförhållande,
Polerad aluminium 0.1
Polerat stål 0.1 - 0.2
Rostigt stål 0.7
Trä 0.9
Lackerad metall 0.90 - 0.95
Om två kroppar med temperaturerna T
1 och T
2 (T
1 > T
2) utsätts för varandras strålning kan värmeflödet från kroppen 1 till kroppen 2 skrivas
Mätexemplet ovan i siffrorRummet antas ha storleken 3 m x 4 m x 2.4 m och för givarens yta antas
E 1 = 0.8 och för väggytan
E 2 = 0.9. Vid beräkning av resulterande emissionsförhållandet
E 12 finner man att det bestäms helt av
E 1, eftersom givarens area A
1 är mycket liten i förhållande till väggarean A
2;
E 12 =
E 1. För det konvektiva värmeflödet från luften till givaren gäller
Q
konv = "VL" A
1 (T
luft - T
1)
Om vi antar att det råder
egenkonvektion blir "VL"= 5.5 W/m2K. Med Q
str = Q
12 och T
2 = 288 K finner man nu T
1 = 292 K. Temperaturgivaren visar i detta fall en temperatur som ligger 3°C under rumsluftens temperatur, 22 °C. Det finns alltså all anledning att kontrollera eventuell inverkan av strålningen, när man mäter i rumstemperaturområdet.
På grund av strålningsförluster till de kalla väggarna visar temperaturgivaren lägre temperatur än den omgivande luftens
gäster: 1299
dolda: 0
användare: 12
