5.1 Grundvallaratriði orku

Efnabreytingar og orkubreytingarnar sem fylgja þeim eru mikilvægur hluti af okkar daglega lífi (Mynd 5.2). Orkunæringarefnin í mat (prótein, fita og kolvetni) gangast undir efnaskiptahvörf sem veita orkuna til að halda líkama okkar starfandi. Við brennum ýmsum eldsneytistegundum (bensíni, jarðgasi, kolum) til að framleiða orku fyrir samgöngur, upphitun og raforkuframleiðslu. Í iðnaðar-efnahvörfum er notað gríðarlegt magn af orku til að framleiða hráefni (eins og járn og ál). Orka er síðan notuð til að framleiða úr þessum hráefnum nytsamlegar vörur, svo sem bíla, skýjakljúfa og brýr.

Three pictures are shown and labeled a, b, and c. Picture a is a cheeseburger. Picture b depicts a highway that is full of traffic. Picture c is a view into an industrial metal furnace. The view into the furnace shows a hot fire burning inside. — Mynd 5.2 Orkan sem fylgir efnabreytingum er mikilvæg fyrir daglegt líf okkar: (a) Ostborgari í hádeginu gefur þér þá orku sem þú þarft til að komast í gegnum restina af deginum; (b) bruni bensíns gefur þá orku sem hreyfir bílinn þinn (og þig) milli heimilis, vinnu og skóla; og (c) koks, unnin mynd af kolum, gefur þá orku sem þarf til að breyta járngrýti í járn, sem er nauðsynlegt til að framleiða margar af þeim vörum sem við notum daglega. (Heimild a: breyting á verki eftir „Pink Sherbet Photography“/Flickr; heimild b: breyting á verki eftir Jeffery Turner)

Yfir 90% af orkunni sem við notum kemur upphaflega frá sólinni. Á hverjum degi gefur sólin jörðinni næstum 10.000 sinnum meiri orku en þarf til að mæta allri orkuþörf heimsins þann daginn. Áskorun okkar er að finna leiðir til að umbreyta og geyma sólarorku sem berst til jarðar svo hægt sé að nota hana í hvörfum eða efnaferlum sem eru bæði hentugir og mengunarlausir. Plöntur og margar bakteríur fanga sólarorku með ljóstillífun. Við losum orkuna sem geymd er í plöntum þegar við brennum viði eða plöntuafurðum eins og etanóli. Við notum þessa orku einnig til að knýja líkama okkar með því að borða mat sem kemur beint frá plöntum eða frá dýrum sem fengu orku sína með því að borða plöntur. Bruni kola og jarðolíu losar einnig geymda sólarorku: Þessi eldsneyti eru steingert plöntu- og dýraefni.

Í þessum kafla verða kynntar grundvallarhugmyndir mikilvægs sviðs vísinda sem fjallar um magn varma sem frásogast eða losnar við efna- og eðlisfræðilegar breytingar – svið sem kallast varmaefnafræði (e. thermochemistry). Hugtökin sem kynnt eru í þessum kafla eru víða notuð á næstum öllum vísinda- og tæknisviðum. Matvælafræðingar nota þau til að ákvarða orkuinnihald matvæla. Líffræðingar rannsaka orkubúskap lifandi vera, svo sem efnaskiptabruna sykurs í koldíoxíð og vatn. Olíu-, gas- og samgönguiðnaðurinn, veitendur endurnýjanlegrar orku og margir aðrir leitast við að finna betri aðferðir til að framleiða orku fyrir viðskiptalegar og persónulegar þarfir okkar. Verkfræðingar leitast við að bæta orkunýtni, finna betri leiðir til að hita og kæla heimili okkar, kæla mat og drykki og mæta orku- og kæliþörfum tölva og rafeindatækja, meðal annarra nota. Skilningur á varmaefnafræðilegum lögmálum er nauðsynlegur fyrir efnafræðinga, eðlisfræðinga, líffræðinga, jarðfræðinga, allar tegundir verkfræðinga og nánast alla sem stunda eða læra einhvers konar vísindi.

Orka

Orku (e. energy) má skilgreina sem getuna til að veita varma eða vinna vinnu. Ein tegund vinnu (w) (e. work (w)) er ferlið að láta efni hreyfast gegn andstæðum krafti. Til dæmis vinnum við vinnu þegar við blásum í hjólbarða – við hreyfum efni (loftið í pumpunni) gegn andstæðum krafti loftsins sem þegar er í hjólbarðanum.

Líkt og efni er orka til í mismunandi tegundum. Ein flokkun skiptir orku í tvær tegundir: stöðuorku (e. potential energy), orkan sem hlutur hefur vegna hlutfallslegrar stöðu sinnar, samsetningar eða ástands, og hreyfiorku (e. kinetic energy), orkan sem hlutur býr yfir vegna hreyfingar sinnar. Vatn efst í fossi eða stíflu hefur stöðuorku vegna stöðu sinnar; þegar það rennur niður í gegnum rafala hefur það hreyfiorku sem hægt er að nota til að vinna vinnu og framleiða rafmagn í vatnsaflsvirkjun (Mynd 5.3). Rafhlaða hefur stöðuorku vegna þess að efnin í henni geta framleitt rafmagn sem getur unnið vinnu.

Two pictures are shown and labeled a and b. Picture a shows a large waterfall with water falling from a high elevation at the top of the falls to a lower elevation. The second picture is a view looking down into the Hoover Dam. Water is shown behind the high wall of the dam on one side and at the base of the dam on the other. — Mynd 5.3 (a) Vatn í meiri hæð, til dæmis efst í Viktoríufossum, hefur meiri stöðuorku en vatn í minni hæð. Þegar vatnið fellur breytist hluti af stöðuorku þess í hreyfiorku. (b) Ef vatnið rennur í gegnum rafala neðst í stíflu, eins og Hoover-stíflunni sem sýnd er hér, breytist hreyfiorka þess í raforku. (Heimild a: breyting á verki eftir Steve Jurvetson; heimild b: breyting á verki eftir „curimedia“/Wikimedia commons)

Orku er hægt að breyta úr einu formi í annað, en öll orkan sem er til staðar áður en breyting á sér stað er alltaf til í einhverju formi eftir að breytingunni er lokið. Þessi athugun er sett fram í lögmálinu um varðveislu orku: við efna- eða eðlisfræðilega breytingu getur orka hvorki orðið til né eyðst, þótt henni geti verið breytt í annað form. (Þetta er einnig ein útgáfa af fyrsta lögmáli varmafræðinnar, eins og þú munt læra síðar.)

Þegar einu efni er breytt í annað fylgir því alltaf umbreyting á einu orkuformi í annað. Varmi losnar yfirleitt eða frásogast, en stundum felur umbreytingin í sér ljós, raforku eða eitthvert annað orkuform. Til dæmis er efnaorka (tegund stöðuorku) geymd í sameindunum sem mynda bensín. Þegar bensín er brennt í strokkum bílvélar mynda hinar ört stækkandi loftkenndu afurðir þessa efnahvarfs vélræna orku (tegund hreyfiorku) þegar þær hreyfa stimpla strokkanna.

Samkvæmt lögmálinu um varðveislu efnis (sem fjallað var um í fyrri kafla) verður engin greinanleg breyting á heildarmagni efnis við efnabreytingu. Þegar efnahvörf eiga sér stað eru orkubreytingarnar tiltölulega litlar og massabreytingarnar of litlar til að mæla, þannig að lögmálin um varðveislu efnis og orku eiga vel við. Í kjarnahvörfum eru orkubreytingarnar hins vegar mun stærri (um milljón sinnum meiri), massabreytingarnar eru mælanlegar og umbreyting efnis í orku er umtalsverð. Þetta verður skoðað nánar í síðari kafla um kjarnaefnafræði.

Varmaorka, hitastig og varmi

Varmaorka (e. thermal energy) er hreyfiorka sem tengist tilviljanakenndri hreyfingu atóma og sameinda. Hitastig (e. temperature) er magnbundinn mælikvarði á „hita“ eða „kulda“. Þegar atóm og sameindir í hlut hreyfast eða titra hratt hafa þau hærri meðalhreyfiorku (KE) og við segjum að hluturinn sé „heitur“. Þegar atóm og sameindir hreyfast hægt hafa þau lægri meðalhreyfiorku og við segjum að hluturinn sé „kaldur“ (Mynd 5.4). Að því gefnu að ekkert efnahvarf eða fasabreyting (svo sem bráðnun eða uppgufun) eigi sér stað mun aukning á magni varmaorku í efni valda því að hitastig þess hækkar. Og að því gefnu að ekkert efnahvarf eða fasabreyting (svo sem þétting eða frost) eigi sér stað mun minnkun á magni varmaorku í efni valda því að hitastig þess lækkar.

Two molecular drawings are shown and labeled a and b. Drawing a is a box containing fourteen red spheres that are surrounded by lines indicating that the particles are moving rapidly. This drawing has a label that reads “Hot liquid.” Drawing b depicts another box of equal size that also contains fourteen spheres, but these are blue. They are all surrounded by smaller lines that depict some particle motion, but not as much as in drawing a. This drawing has a label that reads “Cold liquid.” — Mynd 5.4 (a) Sameindirnar í sýni af heitu vatni hreyfast hraðar en (b) þær í sýni af köldu vatni.

Flest efni þenjast út þegar hitastig þeirra hækkar og dragast saman þegar hitastig þeirra lækkar. Þennan eiginleika má nota til að mæla hitastigsbreytingar, eins og sýnt er í Mynd 5.5. Virkni margra hitamæla byggist á útþenslu og samdrætti efna til að bregðast við hitastigsbreytingum.

A picture labeled a is shown as well as a pair of drawings labeled b. Picture a shows the lower portion of an alcohol thermometer. The thermometer has a printed scale to the left of the tube in the center that reads from negative forty degrees at the bottom to forty degrees at the top. It also has a scale printed to the right of the tube that reads from negative thirty degrees at the bottom to thirty five degrees at the top. On both scales, the volume of the alcohol in the tube reads between nine and ten degrees. The two images labeled b both depict a metal strip coiled into a spiral and composed of brass and steel. The left coil, which is loosely coiled, is labeled along its upper edge with the 30 degrees C and 10 degrees C. The end of the coil is near the 30 degrees C label. The right hand coil is much more tightly wound and the end is near the 10 degree C label. — Mynd 5.5 (a) Í vínanda- eða kvikasilfurshitamæli þenst vökvinn (rauðlitaður til að sjást betur) út þegar hann er hitaður og dregst saman þegar hann er kældur, mun meira en glerrörið sem inniheldur vökvann. (b) Í tvímálmshitamæli mynda tveir mismunandi málmar (svo sem látún og stál) tvílaga ræmu. Þegar hún er hituð eða kæld þenst annar málmurinn (látún) meira út eða dregst meira saman en hinn málmurinn (stál), sem veldur því að ræman vefst upp eða ofan af sér. Báðar gerðir hitamæla hafa kvarða sem sýnir hitastigið. (Mynd a: breytt útgáfa af verki eftir „dwstucke“/Flickr)

Varmi (q) (e. heat (q)) er flutningur varmaorku milli tveggja hluta með mismunandi hitastig. Varmaflæði (óþarft orð en algengt í notkun) eykur varmaorku eins hlutar og minnkar varmaorku hins. Gerum ráð fyrir að við höfum í upphafi efni með hátt hitastig (og mikla varmaorku) (H) og efni með lágt hitastig (og litla varmaorku) (L). Atómin og sameindirnar í H hafa hærri meðalhreyfiorku en þau í L. Ef við setjum efni H í snertingu við efni L mun varmaorkan flæða af sjálfsdáðum frá efni H til efnis L. Hitastig efnis H mun lækka, sem og meðalhreyfiorka sameinda þess; hitastig efnis L mun hækka, ásamt meðalhreyfiorku sameinda þess. Varmaflæði heldur áfram þar til efnin tvö hafa náð sama hitastigi (Mynd 5.6).

Mynd 5.6 (a) Efni H og L eru í upphafi með mismunandi hitastig og atóm þeirra hafa mismunandi meðalhreyfiorku. (b) Þegar þau komast í snertingu hvort við annað leiða árekstrar milli sameindanna til flutnings á hreyfiorku (varmaorku) frá heitara efninu til þess kaldara. (c) Hlutirnir tveir ná „varmajafnvægi“ þegar bæði efnin eru með sama hitastig og sameindir þeirra hafa sömu meðalhreyfiorku.

Efni sem gangast undir efnahvörf og eðlisfræðilegar breytingar geta losað eða tekið til sín varma. Breyting sem losar varma er kölluð útvermið ferli (e. exothermic process). Til dæmis er brunaferlið sem á sér stað þegar notaður er súrefnis-asetýlen logsuðubrennari útvermið ferli – þetta ferli losar einnig orku í formi ljóss eins og sést á loga brennarans (Mynd 5.7). Hvarf eða breyting sem tekur til sín varma er innvermið ferli (e. endothermic process). Kaldur bakstur sem notaður er við tognun á vöðvum er dæmi um innvermið ferli. Þegar efnin í kalda bakstrinum (vatn og salt eins og ammóníumnítrat) eru sett saman tekur ferlið sem myndast til sín varma, sem leiðir til kuldatilfinningar.

Two pictures are shown and labeled a and b. Picture a shows a metal railroad tie being cut with the flame of an acetylene torch. Picture b shows a chemical cold pack containing ammonium nitrate. — Mynd 5.7 (a) Súrefnis-asetýlen logsuðubrennari framleiðir varma með bruna asetýlens í súrefni. Orkan sem losnar við þetta útvermið efnahvarf hitar og bræðir síðan málminn sem verið er að skera. Neistarnir eru örsmáir bitar af bráðnum málmi sem fljúga í burtu. (b) Kaldur bakstur notar innvermið ferli til að skapa kuldatilfinningu. (Mynd a: breytt útgáfa af verki eftir „Skatebiker“/Wikimedia commons)

Sögulega var orka mæld í einingunni kaloría (cal) (e. calories (cal)). Ein kaloría er sú orka sem þarf til að hita eitt gramm af vatni um 1 °C (1 kelvin). Þetta magn er þó háð loftþrýstingi og upphafshitastigi vatnsins. Þar sem auðvelt er að mæla orkubreytingar í kaloríum er einingin enn mikið notuð. Kalorían (með stóru K), eða stóra kalorían, sem er almennt notuð til að magngreina orkuinnihald matvæla, er kílókaloría. SI-eining varma, vinnu og orku er júl. Eitt júl (J) (e. joule (j)) er skilgreint sem sú orka sem notuð er þegar kraftur upp á 1 njúton færir hlut um 1 metra. Einingin er nefnd til heiðurs enska eðlisfræðingnum James Prescott Joule. Eitt júl jafngildir 1 kg m²/s², sem er einnig kallað 1 njútonmetri. Eitt kílójúl (kJ) er 1000 júl. Til að staðla skilgreininguna hefur 1 kaloría verið sett jöfn 4,184 júlum.

Nú kynnum við tvö hugtök sem eru gagnleg til að lýsa varmaflæði og hitastigsbreytingum. Varmarýmd (C) (e. heat capacity (c)) hlutar úr efni er það magn varma (q) sem hann gleypir eða losar þegar hann verður fyrir hitastigsbreytingu (ΔT) um eina gráðu á Celsíus (eða samsvarandi, 1 kelvin):

C = \frac{q}{Δ T}

Varmarýmd ræðst bæði af gerð og magni efnisins sem gleypir eða losar varma. Hún er því magnbundinn eiginleiki — gildi hennar er í réttu hlutfalli við magn efnisins.

Tökum sem dæmi varmarýmd tveggja steypujárnspanna. Varmarýmd stóru pönnunnar er fimm sinnum meiri en litlu pönnunnar því þótt báðar séu úr sama efni er massi stóru pönnunnar fimm sinnum meiri en massi litlu pönnunnar. Meiri massi þýðir að fleiri atóm eru í stærri pönnunni, svo það þarf meiri orku til að láta öll þessi atóm titra hraðar. Varmarýmd litlu steypujárnspönnunnar er fundin með því að sjá að það þarf 18.140 J af orku til að hækka hitastig pönnunnar um 50,0 °C:

C_{lítil panna} = \frac{18,140 J}{50,0 °C} = 363 J/°C

Stærri steypujárnspannan, þótt hún sé úr sama efni, þarf 90.700 J af orku til að hækka hitastig sitt um 50,0 °C. Stærri pannan hefur (hlutfallslega) meiri varmarýmd vegna þess að stærra magn efnis krefst (hlutfallslega) meiri orku til að gefa sömu hitastigsbreytingu:

C_{stór panna} = \frac{90,700 J}{50,0 °C} = 1814 J/°C

Eðlisvarmi (c) (e. specific heat capacity (c)) efnis, oft kallaður „séreðlisvarmi“, er það magn varma sem þarf til að hækka hitastig 1 gramms af efni um 1 gráðu á Celsíus (eða 1 kelvin):

c = \frac{q}{m Δ T}

Eðlisvarmi fer aðeins eftir tegund efnisins sem gleypir eða losar varma. Hann er eðliseiginleiki — tegundin, en ekki magn efnisins, er það eina sem skiptir máli. Til dæmis er massi litlu steypujárnspönnunnar 808 g. Eðlisvarmi járns (efnið sem pannan er gerð úr) er því:

c_{járn} = \frac{18,140 J}{(808 g) (50,0 °C)} = 0,449 J/g °C

Stóra pannan hefur massa upp á 4040 g. Með því að nota gögnin fyrir þessa pönnu getum við einnig reiknað út eðlisvarma járns:

c_{járn} = \frac{90,700 J}{(4040 g) (50,0 °C)} = 0,449 J/g °C

Þrátt fyrir að stóra pannan sé massameiri en sú litla, þá gefa þær báðar sama gildi fyrir eðlisvarma (fyrir byggingarefnið, járn) þar sem þær eru báðar úr sama efni. Athugið að eðlisvarmi er mældur í einingum orku á hitastig á massa og er eðliseiginleiki, þar sem hann er fenginn úr hlutfalli tveggja magnbundinna eiginleika (varma og massa). Mólvarmarýmd, sem er einnig eðliseiginleiki, er varmarýmd á mól tiltekins efnis og hefur einingarnar J/mól °C (Mynd 5.8).

The picture shows two black metal frying pans sitting on a flat surface. The left pan is about half the size of the right pan. — Mynd 5.8 Vegna meiri massa hefur stór steikarpanna meiri varmarýmd en lítil steikarpanna. Þar sem þær eru úr sama efni hafa báðar steikarpönnurnar sama eðlisvarma. (heimild: Mark Blaser)

Vatn hefur tiltölulega háan eðlisvarma (um 4,2 J/g °C fyrir vökva og 2,09 J/g °C fyrir fast efni); flestir málmar hafa mun lægri eðlisvarma (venjulega minna en 1 J/g °C). Eðlisvarmi efnis er nokkuð breytilegur með hitastigi. Þessi breyting er þó yfirleitt nógu lítil til að við munum meðhöndla eðlisvarma sem fasta yfir það hitastigsbil sem fjallað verður um í þessum kafla. Eðlisvarmar nokkurra algengra efna eru taldir upp í Tafla 5.1.

Tafla 5.1
Eðlisvarmar algengra efna við 25 °C og 1 bar
Efni	Efnatákn (hamur)	Eðlisvarmi (J/g °C)
helín	He(g)	5,193
vatn	H₂O(l)	4,184
etanól	C₂H₆O(l)	2,376
ís	H₂O(s)	2,093 (við −10 °C)
vatnsgufa	H₂O(g)	1,864
köfnunarefni	N₂(g)	1,040
loft		1,007
súrefni	O₂(g)	0,918
ál	Al(s)	0,897
koldíoxíð	CO₂(g)	0,853
argon	Ar(g)	0,522
járn	Fe(s)	0,449
kopar	Cu(s)	0,385
blý	Pb(s)	0,130
gull	Au(s)	0,129
kísill	Si(s)	0,712

Ef við þekkjum massa efnis og eðlisvarma þess getum við ákvarðað magn varma, q, sem fer inn í eða út úr efninu með því að mæla hitastigsbreytinguna áður en varminn er tekinn upp eða losaður:

\begin{array}{l} q = (eðlisvarmi) \times (massi efnis) \times (hitastigsbreyting) \\ q = c \times m \times Δ T = c \times m \times (T_{loka} - T_{upphafs}) \end{array}

Í þessari jöfnu er c eðlisvarmi efnisins, m er massi þess og ΔT (sem er lesið „delta T“) er hitastigsbreytingin, T_lok − T_upphaf. Ef efni tekur upp varmaorku hækkar hitastig þess, lokahitastig þess er hærra en upphafshitastig þess, T_lok − T_upphaf hefur jákvætt gildi og gildi q er jákvætt. Ef efni tapar varmaorku lækkar hitastig þess, lokahitastigið er lægra en upphafshitastigið, T_lok − T_upphaf hefur neikvætt gildi og gildi q er neikvætt.

Dæmi 5.1

Að mæla varma

Flaska sem inniheldur 8,0 ${\times}$ 10² g af vatni er hituð og hitastig vatnsins hækkar úr 21 °C í 85 °C. Hversu mikinn varma tók vatnið upp?

Lausn

Til að svara þessari spurningu skaltu íhuga þessa þætti:

eðlisvarmi efnisins sem er hitað (í þessu tilfelli vatn)
magn efnisins sem er hitað (í þessu tilfelli 8,0 × 10² g)
stærð hitastigsbreytingarinnar (í þessu tilfelli úr 21 °C í 85 °C).

Eðlisvarmi vatns er 4,184 J/g °C, þannig að til að hita 1 g af vatni um 1 °C þarf 4,184 J. Við tökum eftir því að þar sem 4,184 J þarf til að hita 1 g af vatni um 1 °C, þurfum við 800 sinnum meira til að hita 8,0 × 10² g af vatni um 1 °C. Að lokum sjáum við að þar sem 4,184 J þarf til að hita 1 g af vatni um 1 °C, þurfum við 64 sinnum meira til að hita það um 64 °C (þ.e. úr 21 °C í 85 °C).

Þetta má draga saman með jöfnunni:

q = c \times m \times Δ T = c \times m \times (T_{loka} - T_{upphafs})

\begin{array}{l} = (4,184 J/ g °C) \times (8,0 x 10^{2} g) \times (85 - 21) °C \\ = (4,184 J/ g ° C) \times (8,0 x 10^{2} g) \times (64) ° C \\ = 210,000 J (= 2,1 × 10^{2} kJ) \end{array}

Vegna þess að hitastigið hækkaði tók vatnið upp varma og q er jákvætt.

Prófaðu þekkingu þína

Hversu miklum varma, í júlum, þarf að bæta við 502 g járnsteikarpönnu til að hækka hitastig hennar úr 25 °C í 250 °C? Eðlisvarmi járns er 0,449 J/g °C.

Athugaðu að sambandið milli varma, eðlisvarma, massa og hitastigsbreytingar er hægt að nota til að ákvarða hvaða af þessum stærðum sem er (ekki bara varma) ef hinar þrjár eru þekktar eða hægt er að leiða þær út.

Dæmi 5.2

Að ákvarða aðrar stærðir

Bútur af óþekktum málmi vegur 348 g. Þegar málmhluturinn tekur upp 6,64 kJ af varma hækkar hitastig hans úr 22,4 °C í 43,6 °C. Ákvarðaðu eðlisvarma þessa málms (sem gæti gefið vísbendingu um hvaða málmur þetta er).

Lausn

Þar sem massi, varmi og hitastigsbreyting málmsins eru þekkt getum við ákvarðað eðlisvarma hans með því að nota sambandið:

q = c \times m \times Δ T = c \times m \times (T_{loka} - T_{upphafs})

Með því að setja inn þekktu gildin:

6640 J = c \times (348 g) \times (43,6 - 22,4) °C

Lausn:

c = \frac{6640 J}{(348 g) \times (21,2 °C)} = 0,900 J/g °C

Þegar þetta gildi er borið saman við gildin í Tafla 5.1 sést að það samsvarar eðlisvarma áls, sem bendir til þess að óþekkti málmurinn gæti verið ál.

Kannaðu þekkingu þína

Óþekktur málmhlutur vegur 217 g. Þegar málmhluturinn gleypir 1,43 kJ af varma hækkar hitastig hans úr 24,5 °C í 39,1 °C. Ákvarðaðu eðlisvarma þessa málms og reyndu að segja til um hvaða málmur þetta er.

Efnafræði í daglegu lífi

Varmaorkuver sem nýta sólarorku

Sólarljósið sem nær til jarðar inniheldur þúsund sinnum meiri orku en við náum að virkja. Sólvarmaver eru ein möguleg lausn á því vandamáli að breyta orku frá sólinni í orku sem við getum nýtt. Stór sólvarmaver eru mismunandi að hönnun en þau nýta öll sólarljós til að hita eitthvert efni; varmanum sem er „geymdur“ í því efni er síðan breytt í rafmagn.

Solana-orkuverið í Sonora-eyðimörkinni í Arizona framleiðir 280 megavött af rafafli. Það notar fleygbogaspegla sem beina sólarljósi að rörum sem eru fyllt með varmaflutningsvökva (Mynd 5.9). Varmaflutningsvökvinn gerir síðan tvennt: Hann breytir vatni í gufu sem snýr hverflum sem framleiða rafmagn og hann bræðir og hitar efnablöndu af söltum sem virkar sem varmaorkugeymslukerfi. Eftir að sólin er sest getur bráðna saltblandan losað nægan varma til að framleiða gufu til að knýja hverflana í 6 klukkustundir. Bráðin sölt eru notuð vegna þess að þau hafa ýmsa hagstæða eiginleika, þar á meðal mikla varmarýmd og varmaleiðni.

Mynd 5.9 Þetta sólvarmaver notar fleygbogaspegla til að safna saman sólarljósi. (heimild a: breytt útgáfa af verki Bureau of Land Management)

Ivanpah-sólvarmaverið, sem er 377 megavött og staðsett í Mojave-eyðimörkinni í Kaliforníu, er stærsta sólvarmaver í heimi (Mynd 5.10). 170.000 speglar þess beina gríðarlegu magni af sólarljósi að þremur vatnsfylltum turnum og framleiða gufu við yfir 538 °C sem knýr rafmagnsframleiðandi hverfla. Það framleiðir næga orku til að sjá 140.000 heimilum fyrir rafmagni. Vatn er notað sem vinnsluvökvi vegna mikillar varmarýmdar og gufunarvarma.

Mynd 5.10 (a) Ivanpah-sólvarmaverið notar 170.000 spegla til að beina sólarljósi að vatnsfylltum turnum. (b) Það þekur 4000 ekrur af almenningslandi nálægt Mojave-eyðimörkinni og landamærum Kaliforníu og Nevada. (heimild a: breytt útgáfa af verki Craig Dietrich; heimild b: breytt útgáfa af verki „USFWS Pacific Southwest Region“/Flickr)

Námsmarkmið