Mentor: Hvad kommer du til at tænke på, når jeg siger, at en person har meget energi?
Elev: Den person er meget aktiv, gør en masse ting hurtigt osv.
Mentor: Rigtigt, og den videnskabelige definition af energi er ikke meget forskellig fra denne idé. Dybest set er energi evnen til at udføre arbejde.
Studerende: Men energiske mennesker udfører ikke altid arbejde. Er den videnskabelige definition af arbejde anderledes end den normale definition?
Mentor: Præcis! I videnskabelige termer er arbejde en kraft, der udøves parallelt med bevægelsesretningen. Kan du komme i tanke om et eksempel?
Elev: Når du løfter en kasse, udøver du en kraft opad, kassen bevæger sig opad, og du udfører et arbejde.
Mentor: Det er rigtigt. I betragtning af at energi er evnen til at udføre arbejde, ved du så, hvilke typer af energi der findes?
Elev: Tja, eftersom energi har noget at gøre med at bevæge objekter, findes der så en energi af bevægelse?
Mentor: Ja, det kaldes kinetisk energi. Enhver genstand, der er i bevægelse, siges at have kinetisk energi. Hvad sker der nu med energien, hvis man kaster en bold op i luften?
Elev: Lad os se … Når bolden stiger op i luften, falder dens hastighed. Betyder det, at energien aftager? Og når den så kommer ned og bliver hurtigere, er energien så stigende?
Mentor: Den kinetiske energi falder faktisk, når bolden stiger op i luften og bliver langsommere. Når bolden så kommer ned og stiger i hastighed, stiger den kinetiske energi. Ved du, hvorfor jeg angiver den kinetiske energi?
Elev: Er der andre former for energi end kun kinetisk energi?
Mentor: Det er helt rigtigt! Ifølge loven om bevarelse af energi skal energimængden i et system altid forblive konstant. Men vi ved, at den kinetiske energi aftager og stiger, når vi kaster en bold i luften. Hvordan tror du, at dette sker?
Elev: Jeg tror, at der må være en anden form for energi, som genstanden får, når den stiger opad.
Mentor: Helt korrekt, denne type energi kaldes potentiel energi. Kan du huske, at jeg sagde, at energi blot er evnen til at udføre arbejde? Når objekter bevæger sig højere op i luften, øges deres potentielle energi på grund af tyngdekraftens virkning – en bold højt oppe i luften kan slippe ned, hvilket gør det muligt for den at udføre arbejde.
Elev: Det giver mening. Jeg gætter på, at hvis man kaster en bold op i luften, må den potentielle energi stige, mens den kinetiske energi falder, og omvendt, så den samlede energi altid er den samme.
Mentor: Ja. Den potentielle energi har noget at gøre med, hvor højt en genstand er, og hvordan tyngdekraften trækker på den. Men nok med potentiel og kinetisk energi, er der så andre typer energi?
Elev: Jeg kender ikke til andre måder at udføre arbejde på end ved at flytte genstande.
Mentor: Nå, men hvis du ikke kan komme i tanke om andre energityper, så prøv at bruge loven om energiens bevarelse igen. Hvorfor stopper et tog, hvis man bremser? Det mister kinetisk energi, men får ikke potentiel energi.
Elev: Jeg har altid hørt, at tog stopper på grund af friktion, så friktion må være en energitype.
Mentor: Du er på rette vej. Friktion omfatter faktisk flere forskellige typer af energi, som du kan opfatte, når et tog stopper:
- Termisk energi, som er varme, der kan skabes via friktion.
- Sonisk energi, som er den lyd, du hører, når et tog går i stå.
- Lysenergi, som du kan se i form af gnister, der flyver, eller det varme metal på toget, der lyser rødt.
Elev: Det betyder altså, at når du kontrollerer, at den samlede energi forbliver konstant, skal du også medregne alle disse andre former for energi.
Mentor: Korrekt! Der er dog stadig et par andre energiformer at tage hensyn til.
Elev: Vent lige lidt, hvordan finder fysikerne egentlig alle disse energityper? Hvordan kan man se, om noget er energi eller ej?
Mentor: Den nemmeste måde at finde andre energityper på er at forestille sig et eksempel fra den virkelige verden, hvor det ser ud til, at energi ikke er bevaret. Loven om energiens bevarelse er altid korrekt, så der må være en eller flere andre typer energi til at kompensere for eventuelle mangler. Hvad sker der f.eks. med energierne hos en person, når han/hun hopper på en trampolin?
Elev: Når de lander, falder deres hastighed og kinetiske energi, men de går nedad, så deres potentielle energi falder også. Trampoliner laver lyde og afgiver en smule varme, når man hopper på dem, men det kan ikke være nok til helt at vende faldet. Desuden er der på en eller anden måde, når du lander, nok energi gemt til at sende dig op i luften igen. Der må derfor være en form for “fjedrenergi”, som trampolinerne opsamler, når de strækker sig.
Mentor: Ja, den “fjederenergi”, som du henviser til, kaldes mekanisk energi og beskriver den lagrede energi i fjedre, elastikker og, ja, trampoliner.
Studerende: Det virker ret nemt. Er der andre typer energi?
Mentor: Der er tre andre former for energi. Kan du finde ud af nogen af dem ud fra dit liv og dine erfaringer?
Studerende: Nå, når jeg tænder et lys, må der være noget, der skaber lysenergi, så er elektricitet en form for energi?
Mentor: Absolut, elektromagnetisk energi – energien fra elektromagnetisk ladede partikler – er en af de mest bekvemme former for energi, fordi den kan overføres over store afstande og nemt kan lagres i form af batterier. Grundlæggende er elektromagnetisk energi den energi, som tiltrækningen mellem positivt og negativt ladede partikler giver. En strøm af elektroner, der cirkulerer langs en ledning, er som vand, der strømmer ned ad en bæk: kraften i dens bevægelse kan bruges til at udføre arbejde.
Elev: Og vi ser den slags energi i al den elektronik, vi bruger, ikke sandt?
Mentor: Ja! Selv om fysikere i øjeblikket arbejder på en såkaldt Grand Unified Theory, der vil kombinere elektromagnetisk og gravitationel kraft, så dine børn måske kun behøver at lære én type energi og kraft mindre.
Elev: Wow, nogle gange glemmer jeg, at fysikken stadig ændrer sig i takt med, at der bliver gjort nye opdagelser. Man har normalt en tendens til at tænke på matematiske studier som værende faste, men faktisk ændres teorierne hele tiden, efterhånden som der gøres nye opdagelser.
Mentor: God pointe. Faktisk blev en af de mere moderne energiformer først teoretiseret i 1905 og blev anvendt med succes i 1940’erne – kerneenergi. Men der er stadig en kendt form for energi tilbage. Tænk på afbrænding af træ. Hvad er energitilførslerne og -udledningerne?
Elev: Lad os se, for at brænde træ skal man først sætte ild til det, hvilket kræver varmeenergi, men så producerer træet meget mere varme- og lysenergi end den gnist, der startede ilden. Måske mister træet masse, når det brænder, for der er altid mindre aske tilbage efter branden, end der var træ før branden.
Mentor: Det er en interessant idé, men den eneste måde, hvorpå stof kan omdannes til energi, er gennem en nuklear proces, og det er klart, at et bål ikke forårsager en kerneeksplosion. Al den manglende masse, som du nævner, forlader ilden i form af røg og vanddamp. Nej, energien i træ er noget helt andet: kemisk energi.
Studerende: Så kemisk energi er den energi, der er lagret i alt brændbart?
Mentor: Alt, hvad der er brandbart, har kemisk energi, helt sikkert, selv om kemisk energi også kan være lagret i ikke-brandbare genstande. Generelt er kemisk energi den energi, der er lagret i bindingerne mellem atomerne. Når træ brænder, bliver disse bindinger brudt, og deres energi frigives i form af lys og varme.
Elev: Så kemisk energi er stofspecifik, ligesom termisk energi.
Mentor: Ja, mange af energityperne er relateret til hinanden. Det vigtigste at huske er dog loven om bevarelse af energi. Uanset hvilket problem du løser, skal systemets samlede energi altid forblive konstant, uanset hvilket problem du løser.