Värmealstring

Kursboken heter ju Energilära. Men den handlar inte om alla former av energi. Bokens egentliga ämne är termodynamik. Sådana uthålliga energisystem som vattenkraftverk, vindkraft, solceller och bränsleceller lär man sig inte mycket om i den här kursen.

Och faktum är att en mycket stor del av vårt energibehov kommer från maskiner och motorer som fungerar på grund av skillnader i temperatur. Samma lagar som utvecklades för att analyserar verkningsgraden av ångmaskiner, tillämpas på kärnkraftverk och jetmotorer. Det är värmemaskiner, där något bränsle alstrar värme, som delvis konverteras till mekaniskt arbete.

Tabell 1.1 ger värmevärden för några bränslen. Enheterna är sådana som är av betydelse för elkraftsingenjörer. Kemister använder molära enheter, och då ger kol vid förbränning med syre ungefär 390 kJ/mol. En fysiker konverterar det till 4 eV per atom, det är enheter som i alla fall jag har lättare att relatera till.

Om man gör samma konvertering för bränslevärdet av uran i en bridreaktor, blir det 30 MeV per uranatom. Det är instruktivt att se var värmet kommer ifrån. En klyvning av en urankärna bör nämligen inte uppfattas som en kärnexplosion i miniatyr, som man lätt kan tro av skissar som den här:

Vad som egentligen händer är först att en infångad neutron gör att en urankärna blir två dotterkärnor nära intill varandra. Dessa repellerar varandra med Coulombkraften, som ger fragmenten stor kinetisk energi. Sedan bromsas fragmentens fart genom interaktion med elektroner och joner i materialet. Det är det som blir värme: oordnade vibrationer av atomer i material.

Samma sak sker också vid förbränning av kemiska bränslen. Vanligtvis sker reaktionen i gasfas. Efter en reaktion har molekylerna kinetiska energier på några eV, som genom stötar mot andra molekyler smetar ut till de oordnade rörelserna av en gas med hög temperatur.

Varför ger då en kärnreaktion många miljoner gånger större energi? Dat är för att avstånden är kortare och laddningarna större. När urankärnans "vätskedroppe" har blivit två, är det inbördes avståndet 10^-14 meter, tiotusen gånger mindre än storleken av atomer. Och laddningarna gör att den potentiella energin blir typ 40² gånger större. Tillsammans ger det kinetiska energier som är många miljoner gånger större.

E = m c² gäller i båda fallen.