Arkiv för kategori ‘Exergi’

Grundläggande kemi – atomer

Publicerat: 2016-10-11 i Energi, Exergi, Kemi
Etiketter:, , , , ,
0

Att diskutera kroppens funktioner, matens egenskaper och toxiska ämnen utan grundläggande kunskaper om kemi är onödigt svårt och ger närmast oändligt utrymme för missförstånd. Jag vill försöka lära mig något om grundläggande kemi som är viktig för mat och metabolism, ämnesomsättning. Ett sätt är att försöka förklara för mig själv så att jag tror att jag förstår. För att öka insatsen avsevärt väljer jag att utmana genom skriva mina tankar här.

Det man inte på ett sammanhängande sätt kan beskriva har man inte greppat!

  • Atomer är mycket små unika element som allt i och omkring oss består av. Vi kan inte se enskilda atomer, men via kluriga experiment och mätningar går det att med god precision ta reda på deras egenskaper. Jag kommer att lägga tyngdpunkten på atomers inbördes samspel (kemi) och lämnar merparten av atomkärnornas kvantfysik och liknande fix till andra att beskriva.

electron_clouid

En vanlig atommodell* bygger på en kärna av minst en proton (en positivt laddad nukleon**) dessutom, i alla ämnen utom den allra enklaste väteatomen (1H), en eller flera elektriskt neutrala neutroner. Atomer i grundtillstånd har samma antal negativt laddade elektroner som det finns protoner i kärnan. Ofta uppfattar man elektronerna som att de cirklar runt kärnan likt planeter runt en stjärna men de beter sig snarare som lager av diffusa ”moln”, man kan räkna dem, vet i vilket molnlager de hör hemma men inte var de för ögonblicket finns. Tätheten i molnen (de kan finnas i flera lager) beskriver sannolikheten var de kan påträffas. För att ytterligare komplicera det uppträder elektroner nästan uteslutande parvis i orbitaler och har då alltid olika spin. Bildens proportioner är felaktiga, om protonen får bestämma skalan borde elektronen vara 50 – 100 meter bort.

Ger man en elektron en lagom knuff (t.ex. lyser på den) kan den hoppa ut från sitt ordinarie moln och kallas då exciterad, det varar mycket kort tid och när den faller tillbaka ger den ifrån sig energi i form av en foton, några synliga medan andra kan vara UV eller IR (värmestrålning). Varje grundämne avger ett noga definierat mönster av sådana spektrallinjer och man kan därför med god precision bestämma sammansättningen av kroppar både nära och långt borta som t.ex. stjärnor, dessutom hur hastigt stjärnor/galaxer rör sig i förhållande till oss.

Om kärnan vore stor som en ärta så finns elektronmolnen i storleksordningen 500 meter bort. Elektronens massa är oerhört liten,  1/1800 av en nukleon (proton eller neutron). Allt i och omkring oss är därför i huvudsak tomrum och det vi kan förnimma är det yttersta eller de två yttersta elektronmolnen. När vi rör någon/något är det ”våra” elektroner mot ”deras”. När blickar möts är det fotoner som överför ögonens färg och glans från och till elektronmoln.

Det verkar lite si och så med pyttigt små elektroner långt ut i diffusa moln, men ta en slägga och damma den med kraft i ett städ så ser du förmodligen inga nämnvärda märken i vare sig slägga eller städ. Städets och släggans elektronmoln bryr sig inte tillräckligt länge för att det ska synas. Samma sak gäller även för atomer i gaser och grundämnen som är lätta att bearbeta, det är inte atomer i sig som ger vika, de flyttar sig inbördes. Men om du slår tillräckligt många gånger och sedan känner på släggans slagyta så är den varmare än förut. Vi har gett dess atomer/molekyler lite extra rörelseenergi, det vi uppfattar som och kallar värme.

Varje grundämne har ett unikt antal protoner i kärnan och (i det oladdade grundtillståndet) precis samma antal elektroner fördelade i ett eller flera moln utanför. Omvänt kommer varje antal protoner att motsvara ett unikt grundämne. Hos alla grundämnen utom den enklaste varianten av väte (det finns två till, deuterium*** och tritium) finns även neutroner, ofta samma eller större antal än protonerna. Antalet neutroner kan variera och de resulterande ämnena kallas isotoper. Ur vår kemiska synvinkel är de näst intill likvärdiga.

Mellan kärnpartiklarna finns ett par krafter som verkar på olika avstånd, både attraherande och repellerande. Trots en stark kärnkraft**** mellan nukleoner så spelar den betydligt svagare repellerande kraften mellan positivt laddade protoner en avgörande roll, dess verkan når nämligen så mycket längre. För att tillföra mer sammanhållande attraktion i kärnan i form av mer stark kärnkraft ökar antalet oladdade neutroner i kärnan i minst samma takt som antalet protoner, men ett ”misslagomt” antal neutroner gör kärnorna instabila, de faller isär i diverse partiklar och strålning, de är radioaktiva.

Om det blir fel eller överförenklat bortom räddning så hoppas jag att eventuella läsare påpekar och rättar så snart som möjligt i kommentarer eller via mail, adressen finns uppe till vänster.

*) I naturvetenskapliga sammanhang använder man begreppet modell, ofta en visualisering av sådant som annars är svårt att föreställa sig. En bra modell ska motsvara verkligheten så långt vi känner den, men mycket är fortfarande oupptäckt.

**) Nukleoner är samlingsbeteckning på kärnpartiklarna protoner och neutroner.

***) Deuterium med två nukleoner plus syre ger tungt vatten. Ungefär 1 väteatom av 7000 i våra kroppar är 2H, Deuterium. Iskuber av deuterium sjunker i vanligt vatten. Tritium (3H) är instabilt, radioaktivt, och faller isär med en halveringstid på dryga 12 år. Har du en klocka med ständigt ”självlysande” siffror och visare så är sannolikheten stor att det är tritium som exciterar elektroner i fosfor att avge ljuset. Tidigare användes radium.

****) Den starka kärnkraften verkar mellan atomkärnans nukleoner men bara på mycket korta avstånd i storleksordningen en femtometer (10-15 meter = 1/1 000 000 000 000 millimeter). På närmare avstånd än så blir den snabbt repulsiv (frånstötande) och på längre avstånd upphör den snabbt. Det blir lite som om nukleonerna är sammanbundna med något som samtidigt är starkt, föga elastiskt och skört. För nukleoner som befinner utom den starka kärnkraftens räckvidd kommer Coulombkraften (repulsion mellan laddningar med samma tecken) omgående att ta överhanden. Det är därför radioaktivt sönderfall resulterar i ”snabb energi”. (Egentligen exergi.)

Fruktlöst kaloriräknande

Publicerat: 2016-05-10 i Energi, Exergi
Etiketter:, ,
0

Traditionella InoUtare (kaloriräknare) summerar kalorierna i den mat vi äter, drar bort summan av den basala energi vi behöver för att överleva, den energi vi behöver för vår dagliga verksamhet samt eventuell extra fysisk aktivitet (”motion”). Om slutresultatet är noll anses vi vara i energibalans, är det större än noll lagrar vi överskottet i kroppens vävnader, vi antas gå upp i vikt. Om resultatet hamnar under noll, ett energiunderskott, görs uttag ur kroppens vävnadsbank och vi antas gå ner i vikt.

Verkningsgrad

Den energi (egentligen exergi) vi äter/dricker är alltid flerfalt större än det arbete vi uträttar, vår fysiska verkningsgrad är låg. Som nyttigt arbete räknar jag att överleva, vara fysiskt aktiv, gärna i överskott som kallas motion, tänka och producera värdefullt intellektuellt material. Förhoppningsvis ungefär det du gör nu. Repetera gärna här: Hur mycket är 2000 kcal?

I fineli.fi anges ett äpple med skal ha 32 kcal/100 gram = 135 kJ. Hur mycket är det egentligen i något annat mått? Ett tankeexperiment; lyft ett äpple om 100 gram så högt att dess lägesenergi blir 32 kcal/135 kJoule/135 000 Joule. Om du repeterade i länken i föregående stycke klurar du ut att man måste lyfta äpplet aktningsvärda 135 000 meter för att lägesenergin ska motsvara det ”kemiska” energiinnehållet.

Låt oss nu anta att där finns ett rör med totalt vacuum från 135 000 meters höjd och ner till marken. Vitsen är att luften annars kommer att göra stort motstånd och vi inte inser hur mycket 135 000 Joule lägesenergi motsvarar. Vi krånglar in äpplet i röret och släpper det. Hur stor hastighet har det när det smackar i marken? Sambandet finns i fotnoten*. Sätt in siffrorna så finner du att sluthastigheten blir 1 627 m/sek, knappt 4,8 gånger ljudhastigheten. Den som vill kan ju sätta in äpplet i en avancerad kanon och avfyra det med utgångshastigheten Mach 4,8 om det känns bättre. Energin är densamma. Så mycket kemiskt bunden energi finns i 100 gram äpple. Sätt det i relation till hjärnans krav, vårt sammanlagda överlevnadsbehov, viss fysisk aktivitet samt motion.

I verkligheten måste vi ta hänsyn till att inga energiomvandlingar är förlustfria, var gång du t.ex. byter kemisk energi mot lägesenergi, vidare till rörelseenergi och anslagsenergi sker det avsevärda förluster. Observera att ingen energi går till spillo, ”åslappe”** blir bara av ”sämre kvalitet” och ändar förr eller senare i värme, så utspädd att vi inte kan göra oss nytta av den. Den mest utspädda energin vi har nytta av är den som bidrar till att hålla vår kropp vid 310 K = 37 C.

En stor mängd energi går förlorad genom utandning, avföring och urin. Varje liter vatten vi andas och svettas ut utan att märka det*** tar med sig minst 539 kcal/2255 kJoule = 2 255 000 Joule. Pärlande svett är kroppens nödkylsystem där varje liter på sin höjd tar med sig 37 kcal/154 kJoule = 154 000 Joule och detta endast under förutsättning att vi dricker isvatten.

  • Låt oss lyfta 1 liter vatten så att den får lägesenergin 2 255 000 Joule, det innebär cirka 229,8 kilometer, drygt halvvägs upp till den Internationella rymdstationen ISS.
  • Ett extra glas vatten om 2,5 dl som avdunstar på kroppen tar med sig minst 539/4 kcal = 135 kcal. Det motsvarar energin i drygt 4 hekto äpplen.

Mitt mål är att visa vilka gigantiska mängder energi vi faktiskt äter och hur liten andel nyttigt som kommer ut av det, omvandlingsförlusterna dominerar stort. Simpelt kaloriräknande som inte fullt ut tar hänsyn till omvandlingsförluster är vilseledande.

*) I fysik används formeln g = v2/2s där g = tyngdaccelerationen (9,81 m/s2), v sluthastigheten av en fritt fallande kropp och s är fallsträckan. Genom att flytta om i formeln finner man att v = (2gs)-1/2 (sluthastigheten = kvadratroten ur 2gs).

**) Åslapp är ett dialektord från mina hemtrakter som beskriver det som blir över.

***) Vi avger avsevärda mängder vatten från huden. Så länge den inte bildar vätska lägger vi knappt märke till det. I blåst ökar avdunstningen avsevärt, vi noterar en påtaglig avkylning.