Inngangur

Yfirlit kafla

• 12.1 Núllta lögmál varmafræðinnar: Varmajafnvægi
• 12.2 Fyrsta lögmál varmafræðinnar: Varmaorka og vinna
• 12.3 Annað lögmál varmafræðinnar: Óreiða
• 12.4 Hagnýting varmafræðinnar: Varmavélar, varmadælur og kæliskápar

Inngangur

Stuðningur við kennara

[BL] [OL] [AL] Spyrjið nemendur hvort þeir viti hvernig gufuvél virkar. Hvaða orkubreytingar eiga sér stað? Áður en kaflinn hefst skal rifja upp hugtökin varmi, varmaflutningur og innri orka kerfis.

[BL] Spyrjið nemendur hvað þeir haldi að orðið nýtni þýði. Spyrjið hvað það þýði fyrir þá að vera nýtin þegar þeir vinna skólaverkefni. Spyrjið hvort suma daga séu þeir nýtari eða síður nýtir en aðra daga og látið þá nefna dæmi.

[OL] [AL] Spyrjið nemendur hvers vegna vél, til dæmis tölva eða bílvél, virðist heit eða mjög heit viðkomu. Útskýrið síðan að í eðlisfræði er nýtni skilgreind sem magn nýtanlegrar útorku, oftast vinnu, fyrir tiltekna innorku. Í öllum vélum, þar með talið mannslíkamanum, er hluti orkunnar notaður til að knýja vélina en afgangurinn tapast sem ónýttur varmi. Þess vegna geta tæki og vélar verið heit meðan þau eru í gangi. Bendið á að ef vél skilar meiri útorku, til dæmis orku til að aka tiltekna vegalengd, fyrir tiltekna innorku, til dæmis efnafræðilega stöðuorku eldsneytis, er hún sögð hafa betri nýtni. Fólk reynir stöðugt að hanna vélar með meiri nýtni. Engin vél getur þó haft 100 prósent nýtni. Einhver orka tapast alltaf sem varmi.

Orka getur flust til eða frá kerfi annaðhvort vegna hitamismunar milli þess og annars kerfis, það er með varma, eða með því að beita krafti yfir vegalengd, það er með vinnu. Þannig getur orka breyst í önnur form orku í öðrum kerfum. Bílvél brennir til dæmis eldsneyti þannig að orka flyst með varma yfir í gas. Gasið vinnur vinnu þegar það beitir krafti yfir vegalengd og ýtir stimpli út á við. Þessi vinna breytir orkunni í ýmis önnur form: aukna hreyfiorku eða þyngdarstöðuorku bílsins, raforku til að knýja kveikjukerti, útvarp og ljós og geymda orku í rafgeymi bílsins.

Mestur hluti varmaorkunnar sem flyst með varma frá bruna eldsneytisins í vélinni vinnur þó ekki vinnu á gasið. Þess í stað losnar mikill hluti orkunnar út í umhverfið við lægra hitastig, það er tapast sem varmi, og það er óhagkvæmt. Bílvélar hafa aðeins um 25 til 30 prósent nýtni. Þessi ónýtni eykur eldsneytiskostnað og því er mikill áhugi á að bæta eldsneytisnýtni. Almennt er þó vitað að nútíma bensínvélar verða ekki gerðar miklu nýtnari. Sama gildir um umbreytingu í raforku í stórum orkuverum, hvort sem þau eru knúin kolum, olíu, jarðgasi eða kjarnorku. Hvers vegna er þetta svona?

Svarið liggur í eðli varma. Grundvallarlögmál eðlisfræðinnar stjórna því hvernig varmaflutningur til að vinna vinnu fer fram og takmarka mestu mögulegu nýtni ferlisins. Í þessum kafla verða þessi lögmál skoðuð ásamt hagnýtingu þeirra í hversdagslegum vélum. Þessi viðfangsefni tilheyra varmafræði, fræðigreininni um varma og tengsl hans við vinnu.

Stuðningur við kennara

Áður en þessi kafli hefst er gagnlegt að rifja upp eftirfarandi hugtök:

• varðveisla orku
• vinna
• varmi