Fysikk og Historie: James Prescott Joule og joule

[Griffel]

SI enheten joule (J) er oppkalt etter James Prescott Joule som ble født i 1818.

Dersom du er usikker på hvordan joule uttales er ikke det så rart, det var uklart på Joules tid også.
Familien Joules bryggeri reklamerte med: Ølet vårt smaker godt, samme hvordan du uttaler det.

James ble født  i England i en velstående familie og de var nok religiøse også for som videnskapsmann arbeidet han for å integrere teologi og fysikk,og som barn fikk han undervisning hjemme. (Begynner dette å virke kjent?)

Som 16 åring ble han og broren sendt til et av Englands ledende akademier «The Manchester Literary and Philosophical Society» hvor de studerte i 2 år. Her lærte de om elektrisitet og moret seg med å demonstrere elektriske støt på  familie og tjenere. En av foreleserne på akademiet var John Dalton, som var berømt for hvordan hans atomteori kunne forklare kjemi..

Selv om det hadde gått over 60 år siden Watt startet produksjon av dampmaskiner var Joule den første som virkelig så likheten mellom mekanisk arbeid, varme og annen energi. Først med elektrisitet. I 1840 beskrev han det som kalles Joules lov om at mengden varme per sekund som utvikles i en strømførende ledning, er proporsjonal med den elektriske motstanden i ledningen, kvadratet av strømmen og tiden. Han var da 22 år og  jobbet i farens bryggeri.

Papiret til «the Royal Society» ble i første omgang avfeid som teorier fra en amatør. Han hadde jo ingen formell utdannelse og ikke noen videnskaplig stilling ved et universitet.

Men teorien holdt mål og 10 år senere ble han valgt til medlem av «the Royal Society». Nå hadde han også funnet en måte å måle forholdet mellom mekanisk arbeid og varmemengde.

Hva gjør en egentlig når en er på bryllupsreise? James Prescott  Joule tok med seg et termometer og målte temperaturforskjeller over å under et fossefall.

Han ville nok ha modernisert bryggeriet han bestyrte med elektriske motorer til å drive pumpene og elektrisk lys i bryggerihallen, men den eneste strømkilden var dyre primærbatterier, lyspæra var ikke oppfunnet og elmotorene var ikke ennå ikke egnet for praktisk bruk. Konklusjonen ble at tiden var ikke moden. Bryggeriet ble solgt i 1854 og han begynte å undervise på et privat akademi.  Han ble også medlem av Akademiet hvor han studerte som ungdom, og i 1860 president for Akademiet.

Han var den første som så at  varme, elektrisitet energi og mekanisk arbeid var forskjellige sider av samme sak, så hva var vell da mer naturlig når en skulle ha en SI enhet som dekket disse feltene å kalle den joule. SI enheten joule er en avledet enhet energi og arbeid.

Litt fysikk
Elektrisk: 1 joule (J) er det samme som et wattsekund, da blir en watttime 3600joule og en kWh = 3600kJ (omtrent det samme som 3 skiver brød med leverpostei). Så elektrisk bruker en helst kWh.

Arbeid: Dersom en kraft på en netwon som flytter noe en meter er arbeidet som er utført en joule. Det kan også kalles en netwonmeter (Nm), men denne enheten brukes vanligvis for moment og er derfor ikke like entydig som joule. Når dette momentet har rotert en radian er arbeidet (ikke tilfeldigvis) en joule. (en omdreining er 2pr).

Varme: Eldre enheter for varme er kalori, og BTU (British Thermal Unit) som ennå brukes i USA.
For energi i mat er den gamle betegnelsen kilokalori. Det er alltid kilokalori som menes, selv om det av og til (feilaktig) kalles kalori 1kcal = 4,1868kJ. (På engelsk brukes noen ganger C for kcal. og c for cal.). En BTU = 1,055kJ.
Ønsker du å legge på deg 1 kg krever det ca. 325000kJ eller 9kWh. (Kanskje jeg burde dytte bilen til jobben en dag i uken).

En liter bensin ca 35000kJ = ca10kWh

De vanligste energiformer for elbilisten:
Kinetisk energi (bevegelsesenergi) for en (el)bil i fart. E=1/2*m*v². (Dette er en god nok tilnærming så lenge vi holder oss under 100 millioner km/h som er snaut 10% av lysets hastighet. Kjører vi raskere må vi gå over til relativitetsteorien). m er massen av bilen (kg) v er hastigheten (m/sek) og den må altså i 2 potens. 80km/h=22m/sek. Dersom bilen (med last) veier 1500kg er energien 1/2*1500*22² = 363kJ = 0,1kWh. Dette er det akselerasjonen fra 0 til 80km/h egentlig koster, det spiller ingen rolle hvor sterk motoren er (større effekt men kortere tid), vi får noe av det tilbake ved bremsing. Det vil si jeg taper litt på hver gang farten reduseres for så å øker igjen, derfor lønner det seg å holde jevn fart. En fossilbil taper all kinetisk energi ved retardasjon.

Potensiell energi (stillingsenergi): E = mgh  g er tyngdens akselerasjon på jorden = 9,81kgm/S²  h er høydeforskjellen. Jobben min ligger 200m høyere enn der jeg bor. 1500*9,81*200=2943kJ=0,8kWh. Noe av dette får jeg tilbake i nedoverbakkene, det vil si jeg taper litt for hver gang det går opp og ned, dette er det vell ikke stort å gjøre med. En fossilbil bruker denne energien på vei opp og får ikke noe igjen på vei ned.

Termisk energi: På turen varmer jeg opp dekkene og veien E = mgrl hvor  l er lengden av vegen. For å gjøre det enkelt 10km, og r er rullefriksjonskoeffisienten som er avhengig av vegbanen og dekkene. Typisk tall skal være 0,01 for gode dekk. E=1500*9,81*0,01*10000=147kJ=0,4kWh/mil. Dette er likt for fossilbilen, men her legger en kanskje mindre vekt på å kjøpe lavenergidekk siden kjørelengde ikke betyr noe.

Luften skal vi også presse oss gjennom. Energi bruk på grunn av luftmotstand: Ed=1/2*r*Cd*A*v²*l
r er tettheten av luft 1,225 kg/m3, A er bilens flate rett fram, v²  er bilens hastighet i 2 potens, Cd verdien er et mål for hvor strømlinjeformet bilen er. En SUV 0,4-0,5 sportsbil 0,25-0,35.
Her må Cityel'en ha en stor fordel med liten flate og lav Cd.

Siden hastigheten er i 2potens kan vi ikke benytte gjennomsnitts hastigheten men må bruke gjennomsnittet av kvadrate av hastigheten for å finne forbruket per mil. Denne vil ligge et sted mellom gjennomsnittshastighet og toppfart. En bil med flate 2m², Cd 0,36, konstant fart 65km/h bruker da 0,4kWh/mil på luftmotstanden, ved 80km/h har forbruket økt til 0,6kWh/mil.

Rullemotstand og luftmotstand kan vi påvirke. 0,5bar for lite i dekkene kan øke effektforbruket  8-10%. Et åpent vindu 3-4%. Takstativ/skiboks 12-15%.

Tilsammen:
Bakker og ujevn fart 0,4kWh/mil
Rullemotstand 0,4kW/mil
Luftmotstand 0,4kWh/mil
Tilsammen 1,2kWh/mil
Så kommer tap i motor og drift, tap i lader og batteri og transmisjonstap som alt blir til varme.
Virkningsgrad motor 0,8
Virkningsgrad lader/batteri 0,7
Virkningsgrad transmisjon 0,95
1,2/(0,8*0,7*0,95)= 2,3kWh/mil.

Til sammenligning en liter bensin er ca 35000kJ eller ca 10kWh, men i biler som går på slikt drivstoff forsvinner det meste av dette som varme i radiator og ut med eksosen.