Hvad er energi? Energiformer, enheder og energibevarelse

Hvad er energi egentlig, når du hverken kan se den, holde i den eller veje den? Alligevel mærker du den hele tiden: når du løber for at nå bussen, når telefonen går død midt i en samtale, og når morgenmaden er brugt op, og du begynder at tænke på frokost.

Energi dukker op i alle naturfag, og det gør begrebet svært at få fat i. I hverdagen siger vi, at vi er fyldt med energi eller har brugt al energien, og det lyder, som om energi var noget, man kan tømme. I fysik er billedet et andet, og det er faktisk mere interessant. Her får du overblikket: hvordan energi måles, hvilke former den findes i, hvordan den skifter form, og hvorfor den aldrig forsvinder, selv når din mobil bliver varm i lommen. Undervejs regner vi på en rutsjebane, en elkedel og en banan.

Hvad er energi?

Du spiser en banan og cykler til skole. Op ad bakken puster du, benene brænder, og da du ankommer, er du varm og lidt svedig. Noget i bananen er blevet til bevægelse, og noget er blevet til varme. Det noget er energi.

Energi er ikke et stof, du kan hælde op i et glas. Det er en størrelse, vi regner på, ligesom vi regner på masse eller tid. Det, der bærer energien, kan være en bold i luften, en varm kop te eller bindingerne mellem atomerne i sukker. Energien selv er det tal, vi sætter på. Og tallet er brugbart, fordi det lader os sammenligne helt forskellige ting: hvor meget energi der er i en banan, i en batteripakke og i en bil, der kører på motorvejen.

Hverdagssproget gør det ekstra forvirrende. Siger din ven, at hun er helt drænet for energi efter en lang dag, mener hun, at hun er træt. Siger en fysiker det samme om et batteri, mener hun, at den kemiske energi i batteriet er omdannet til noget andet. Samme ord, to betydninger. I fysik er energi altid noget, du kan måle og regne på, og det er det, du skal holde fast i, når du løser opgaver. Sådan en opgave begynder næsten altid med at spørge: hvor er energien nu, og hvor er den, når der er sket noget?

Hvordan måler man energi? Joule, kilojoule og kWh

Hvad er mest: en chokoladebar på 1.000 kJ eller en kilowatttime strøm fra stikkontakten? Svaret er overraskende, og det viser, hvorfor vi har brug for en fælles enhed. En kilowatttime er 3.600 kJ, altså 3,6 gange så meget som chokoladebaren. Strømmen til din telefon i flere uger svarer til en enkelt chokoladebar.

Grundenheden for energi er joule, forkortet J. Løfter du et æble på 100 gram en meter op, bruger du cirka 1 joule. Det er ikke meget, så i praksis støder du hele tiden på større enheder: kilojoule (kJ), som er 1.000 J, og megajoule (MJ), som er 1.000.000 J. Fødevarer angives i både kJ og kcal, mens elregningen bruger kilowatttimer (kWh). Alle fire mål handler om det samme, bare i forskellige størrelser.

En banan har altså lige så meget energi som en lille tiendedel af en kilowatttime. Det lyder af ingenting, men din krop kører på mad hele dagen. Skal du have fornemmelsen af de helt store tal, kan du kigge på, hvordan et helt land måler energi. I Energistyrelsens årlige energistatistik opgøres Danmarks forbrug i petajoule (PJ), hvor 1 PJ er \( 10^{15} \) joule. Et tal med femten nuller bag sig.

De syv energiformer

Energi er ikke forskellig fra gang til gang. Det er det, der bærer den, der skifter. Derfor sorterer man energi i former. I forløbene hos Naturvidenskabens ABC arbejder eleverne med syv: kinetisk energi, potentiel energi, elektrisk energi, varmeenergi, kemisk energi, strålingsenergi og kerneenergi. Du kan se dem som syv forskellige lagerrum for den samme slags valuta.

To af formerne kommer du til at regne på igen og igen. Forestil dig et barn på 40 kg øverst på en rutsjebane, der er 3 meter høj. Barnet står stille, men der er energi gemt i højden. Hvor meget? Du ganger massen med tyngdeaccelerationen og højden: \( 40 \cdot 9{,}82 \cdot 3 \approx 1178 \) J. Det er den potentielle energi, også kaldet beliggenhedsenergi.

Slipper barnet taget og glider ned, forsvinder den gemte energi ikke. Den bliver til fart. Jo hurtigere barnet bevæger sig, jo mere kinetisk energi har det, og farten tæller dobbelt, fordi den er kvadreret i formlen. Vil du se flere eksempler på de to former, kan du læse om potentiel energi og kinetisk energi hver for sig.

Barnet kommer ned med cirka 7,7 m/s, altså knap 28 km/t. Læg mærke til, at massen forsvandt fra regnestykket undervejs. Den ville have givet samme fart for et barn på 25 kg. De andre energiformer følger samme logik. Når du rører ved en varm kop, mærker du termisk energi, og i en bil på tomgang er det kemisk energi i benzinen, der arbejder. Hver form har sin egen formel og sine egne eksempler, og du finder dem samlet i guiderne til energiformer, termisk energi og kemisk energi.

Energiomdannelse og energikæder

Tænd en elkedel. Den elektriske energi fra stikkontakten sendes gennem en varmespiral, spiralen bliver varm, og vandet omkring den får tilført termisk energi. Efter et par minutter koger det. Elektrisk energi er blevet til termisk energi. Det kaldes energiomdannelse.

Ofte sker der flere omdannelser i træk, og så taler man om en energikæde. En vindmølle begynder med kinetisk energi i vinden, som drejer vingerne. Generatoren gør det til elektrisk energi, som løber ud i nettet og hjem til din pære. Pæren omdanner den til lys og varme. Fire led, og energien skifter form ved hvert af dem.

1. 1

   Find startenergien

   Spørg dig selv, hvilken energiform der er i spil, før noget sker. I et kogende kedelforsøg er det elektrisk energi.

2. 2

   Følg energien led for led

   Skriv hver omdannelse som en pil: elektrisk energi giver termisk energi i spiralen, som giver termisk energi i vandet.

3. 3

   Husk tabet

   Næsten alle omdannelser afgiver også noget termisk energi til omgivelserne. Tegn den som en ekstra pil ud af kæden.

4. 4

   Tjek regnskabet

   Tilført energi skal være lig med summen af nyttig energi og tab. Passer tallene ikke, har du glemt en pil.

Prøv det på dig selv. Du spiser en banan (kemisk energi), og kroppen omsætter den til kinetisk energi, når du cykler, og til termisk energi, fordi musklerne bliver varme. Kæden er kemisk energi, der giver kinetisk og termisk energi. Det er den termiske del, der får dig til at svede.

En tutor kan regne eksemplerne igennem sammen med dig, i dit tempo og med dine opgaver. Prøvetime for 99 kr., ingen binding.

Energibevarelse: hvorfor energi aldrig forsvinder

Hvis energi aldrig forsvinder, hvorfor løber din telefon så tør for strøm? Og hvorfor stopper en bold med at hoppe? Det virker som en modsigelse, men det er det ikke. Energien er stadig til stede. Den er bare endt et sted, hvor du ikke kan bruge den.

Princippet hedder energibevarelse, og det hører til de mest grundlæggende regler i naturvidenskaben. I Naturvidenskabens ABC er det formuleret som den niende erkendelse: Energien i universet er bevaret, men kan ændres fra én form til en anden. I et lukket system, hvor intet kommer ind eller ud, er den samlede energi altså den samme før og efter. Det gør energibevarelse til et enormt praktisk regneredskab. Du behøver ikke kende alle mellemregninger, kun energien i start og slut.

Grafen viser et legeme på 1 kg, der falder fra 10 meters højde. Højt oppe (til højre) er den røde potentielle energi på sit højeste, og den grønne kinetiske er nul. Jo længere legemet falder, jo mere skifter energien fra rød til grøn. De to kurver ændrer sig modsat, men summen ligger hele tiden på den stiplede linje: 98,2 J. Det er energibevarelse, tegnet op.

I virkeligheden er der friktion og luftmodstand, og så rammer den grønne og røde kurve ikke helt op på linjen. Forskellen er ikke forsvundet. En del af energien er blevet til termisk energi i luften og i bolden. Derfor stopper en bold med at hoppe: Hvert hop omdanner lidt bevægelsesenergi til varme, indtil der ikke er mere at hoppe med. Mekanisk energi mistes, men den samlede energi er den samme.

Det samme gælder, når du kaster en bold lige op i luften. Ved starten har den kinetisk energi og ingen potentiel. Når den topper, står den et øjeblik helt stille, og al energien er potentiel. På vej ned kører filmen baglæns. Hvis du kender energien på ét tidspunkt, kender du den på alle de andre, så længe du husker friktionen. Det er en af grundene til, at energibetragtninger ofte er hurtigere end at regne på kræfter og acceleration hele vejen igennem.

Effekt og nyttevirkning

To elkedler skal koge den samme mængde vand. Den ene klarer det på 75 sekunder, den anden på 150. Begge bruger lige meget energi, men den hurtige gør det på halvt så lang tid. Forskellen er effekten, altså hvor hurtigt energi omdannes.

Den sidste byggesten er nyttevirkningen. Ikke al energi, du putter ind i en maskine, ender som det, du ville have. Fra en gammeldags glødepære får du måske 2 J lys ud af 40 J elektrisk energi. Resten, de 38 J, bliver til varme. Pærens nyttevirkning er så \( 2 / 40 = 0{,}05 \), altså 5 procent. En LED-pære har en langt højere nyttevirkning, og det er derfor, den er blevet standard.

Nyttevirkningen kan aldrig nå 100 procent, for der går altid lidt energi til varme. Det er en praktisk huskeregel: Får du en nyttevirkning over 100 procent ud af et regnestykke, har du byttet om på tæller og nævner.

Energikilder: fra olie til vindmøller

Din stikkontakt ved ikke, om strømmen kommer fra en vindmølle på Nordsøen eller et kraftværk, der afbrænder biomasse. Energien er den samme. Men for klimaet og for fremtiden er det ikke ligegyldigt, hvor den kommer fra. En energikilde er det, vi henter energi ud af, og kilderne deles groft i tre grupper.

Danmark er et godt sted at se udviklingen. Ifølge Danmarks Statistik dækkede vedvarende energi 45,2 procent af det danske energiforbrug i 2023. Samtidig viser Energistatistik 2023 fra Energistyrelsen, at forbruget af kul er faldet 87,4 procent siden 1990. Kilderne skifter altså, men energien i regnskabet er stadig målt i de samme joule.

Næsten alle kilder kan spores tilbage til Solen. Vinden opstår, fordi Solen opvarmer jorden ujævnt. Biomasse og fossile brændsler stammer fra planter, der har indfanget sollys gennem fotosyntese. Kerneenergi er undtagelsen, for den kommer fra bindinger i atomkernerne. Energikilder skaber altså ikke energi, de er kun forskellige veje til at få energien omdannet til noget, vi kan bruge.

Typiske fejl om energi

Energi bruges til hverdagsord som kraft, varme og strøm, og det er her, de fleste forveksler begreberne i opgaver og til prøver. Fire fejl går igen.