Det nærmar seg sommar, og vi gler oss over varmen i vêret, men òg høvet til å bruke varme i ulike former. Vi skal grille med kol- eller gassgrill, og vi skal sitje ved bålpanna med eit glas vin. Det å kontrollere varme er noko av det viktigaste vi brukar teknologiar til, og bruksområda er mange.

Å finne opp noko nytt handlar om å sjå eit naturleg fenomen utspele seg og herme etter det. Det å lage eit bål er kanskje den mest grunnleggjande måten å herme etter naturkreftene på. Tidlegmenneska såg verknaden av lynnedslag og skogbrannar, og i millionar av år utnytta dei varmen når han var der.

For ca. 500.000 år sidan (dei lærde stridest) klarte dei å få kontroll over desse termodynamiske prosessane. Etter den tid har menneska utvikla stadig fleire tekniske løysingar og bruksområde for kontrollert varmeutvikling. Vi kan nemne brennomnar, forbrenningsmotorar, komfyrar, elektriske smelteomnar og kjernekraftverk.

Slike varmeteknologiar er svært nyttige. Varme kan brukast til å koke og steike mat, lyse opp den nære omgjevnaden og halde farlege rovdyr på avstand, og sjølvsagt til å halde seg varm på kalde netter. Varme kan brukast til å brenne ut fukt frå leire, så ein kan lage murstein og keramikk. Og han kan smelte metall, slik at det lèt seg forme til tusen praktiske gjenstandar.

I tusenvis av år utnytta menneska termodynamiske lover meir eller mindre intuitivt. Termodynamikk er den delen av fysikken som tek for seg samanhengen mellom energi, varme og arbeid. Det er spesielt to av lovene vi utnyttar når vi lagar varmeteknologiar.

Den første seier at energi vert bevart og korkje kan oppstå eller forsvinne. Den andre seier at varme vil flytte seg frå materiale med høg temperatur til materiale med lågare temperatur, men aldri den andre vegen.

Det finst mange måtar å lage teknologiar på slik at dei utviklar kontrollerbar varme, og vi går gjennom nokre av dei. Varme kan til dømes utviklast ved den friksjonen som oppstår når to gjenstandar sklir mot kvarandre, som når dei gamle verktøya eldstål og tørre pinnar vert gnidde mot kvarandre. Den som hadde god teknikk, kunne utvikle nok varme til å få eit brennbart materiale til å ta fyr.

Varmeteknologiar er ofte baserte på utnytting av endoterme og eksoterme fysiske prosessar i eit samspel. Endoterme prosessar gjer varme om til andre energiformer, medan eksoterme prosessar frigjer energi i form av varme.

Fotosyntesen er ein endoterm prosess som formar sollyset om til kjemisk bindingsenergi i for eksempel tre. Energien som er lagra i treet, kan i sin tur frigjerast i eit bål og vidare varme opp jernet og vatnet i kaffikjelen. Slik gjer solvarmen at du kan koke kaffi på bålet.

Kva skjer i bålet? Når vi tenner på veden, vil varmen i ein tennflamme varme opp det karbonhaldige materialet i veden. Energien i tennflammen vert brukt til å bryte dei kjemiske bindingane som er skapte i fotosyntesen. Vi har ein endoterm prosess.

Men frigjord karbon og hydrogen reagerer med oksygen i lufta og frigjer energi, det vil seie at vi har ein eksoterm prosess. Energien vert brukt til å frigjere meir karbon og hydrogen. Karbonet og hydrogenet som er bunde i plantematerialet, vil heller vere saman med oksygen, sidan bindingane til oksygen krev mindre energi og er meir stabile.

Vi får altså ein kjedereaksjon som verkar så lenge det er ved att. Energien som var lagra i materialet, er blitt sleppt fri i form av varme. Dette fenomenet ligg til grunn for bålet, vedomnen, smelteomnen og ikkje minst forbrenningsmotoren.

I fysikken er arbeid ei energioverføring som skjer ved at ei kraft verkar på ein gjenstand og flyttar denne gjenstanden. Menneska fekk dette verkeleg under kontroll med dampmaskina på slutten av 1700-talet.

Vatn vert tilført varme frå fyrkjelen, og det vert produsert vassdamp under høgt trykk (endoterm prosess). Energien i vassdampen vert så brukt til å flytte på stag og hjul, og lokomotivet dreg vognene i stor fart gjennom landskapet. Varmen har utført arbeid.

Varme kan utviklast ved å leie elektrisk straum gjennom eit materiale. Nokre materiale leier ikkje straum i det heile teke, andre leier straum veldig godt, men ingen av desse vil generere så mykje varme. Materiale som leier straum, men ikkje på ein optimal måte, vil derimot produsere varme når elektrona flyttar seg. Dette er bakgrunnen for panelomnar, glødepærer og den elektriske grillen.

Varme kan også lagast med magnetisme. På induksjonskokeplater snur vi magnetfeltet fram og tilbake i stor fart ved hjelp av elektrisk straum. Det gjer at dei magnetiske molekyla i botnen på stålgryter tek til å vibrere, og då utviklar dei varme. Varmen vert ført vidare inn i gryta.

Kjernefysiske reaksjonar utviklar også varme. I fisjonsreaktorar vert atomkjernar splitta når nøytron kolliderer med dei. Det vert frigjort nye nøytron som splittar nye atomkjernar, og i tillegg vert masse omdanna til varmeenergi, som vi kan utnytte til å varme opp vatn til vassdamp, som igjen driv turbinar som lagar elektrisitet.

I sola vert det produsert varme gjennom fusjon. Då vert det frigjort varme fordi lette atomkjernar smeltar saman til tyngre atomkjernar og samstundes slepper ut energi. Men denne typen kjedereaksjon greier vi ikkje å kontrollere enno, så den vert diverre berre brukt til atombomber.

Lars Nyre og Bjørnar Tessem