SIDEKART OG SØK    |
  Prisbelønnet solfanger - se fordelene
Solenergi og vannets egenskaper i en solfanger

Vann er tilgjengelig over nesten hele verden og er et middel som kan oppbevares og kastes uten at det er fare for verken mennesker eller miljø. Som medium i en solfanger er vann helt uovertruffent i forhold til å utnytte solenergi på grunn av vannets unike varmekapasitet. Vannet har muligheten til å oppta og ta vare på solenergien fra en solfanger på en helt enestående måte i forhold til alle andre materialer.
I begynnelsen lå jorden øde og tom og det var mørke over dypet, og Guds ånd svevet over vannene og befalte: "Bli lys". Slik starter beretningen om jordens skapelse i første Mosebok. Vannet var altså tilstede før skapelsen og vann inngår i alle deler av skaperverket i henhold til skapelsesberetningen. Uansett hvordan livet på jorden oppsto er vann det sentrale elementet i alt liv. Her er noen av de egenskapene som er så spesielle ved vann, dette helt nødvendige molekylet (H2O). Kunnskap rundt vann-molekylet vil kunne bidra til at vi tar bedre vare på denne livsviktige ressursen i framtiden.

Vannets tetthet

Vann finnes i tre ulike fysiske tilstander i naturen: is (fast stoff), vann ( væske) og vanndamp (gass). Se bildet til høyre. Disse tre tilstandene er vanlige, men ingen andre stoff kan opptre i disse tilstandene under de fysiske betingelser vi har på jorden. Allerede i oldtiden ble dette særegne fenomenet beskrevet av Thale fra Milet (640-546 f.kr). Et eksempel på dette fenomenet er når frostrøyken ligger over den åpne elven som renner ned i en islagt innsjø. At isen legger seg på toppen av innsjøen, betyr at is er lettere enn vann. Dette er en av vannets mange spesielle egenskaper. Når temperaturen synker fra 100ºC (kokepunktet) og ned til 4ºC minker vannet i volum, det trekker seg sammen. Dette er normalt for alle stoff. Det som er unormalt er at når temperaturen senkes ytterligere fortsetter ikke vannet å trekke seg sammen, men utvider seg. Tettheten blir mindre, noe som betyr at vannet blir gradvis lettere når temperaturen synker under 4ºC og ned til frysepunktet 0ºC. Ved selve frysepunktet inntreffer en dramatisk utvidelse i vannet. Volumet øker plutselig med 10 %. Dette fører til at flasker sprekker og vannrør sprenges når vannet fryser til is. Hva ville skjedd dersom vannet ikke hadde en slik unik egenskap? Innsjøer, elver og hav ville i så fall fryse til is fra bunnen av, og vannmassene ville omdannes til kompakte isblokker. Mesteparten av denne isen ville ikke kunne smelte av solenergi gjennom sommermånedene i nordlige områder og klima og værforhold ville blitt svært ulikt det vi har i dag. Det ville blitt mindre fordampning, som igjen ville medført mindre nedbør i form av snø og regn, samt langt lavere temperaturer over hele jordkloden. Vanndamp er den viktigste klimagassen vi har i atmosfæren. Uten vann og andre klimagasser i atmosfæren ville gjennomsnittstemperaturen på jordoverflaten sunket med 30ºC.

Vannets varmekapasitet

Vannets modererende virkning på klima skyldes ikke bare stoffets spesielle tetthets-egenskaper, men også dets unike varmekapasitet. I en tid hvor klimagasser står på den politiske dagsorden er det viktig å være klar over at den viktigste klimagassen i atmosfæren er vanndamp. Større døgnvariasjoner i lufttemperatur ved klarvær sammenliknet med gråvær, større temperatur-variasjoner inne i landet enn ute ved kysten, skyldes luftfuktighet og nærhet til vann og derved at store deler av solenergien akkumuleres i vanndamp. For virkelig å demonstrere vannets unike varmekapasitet kan du først henge en tom kaffekjele over et bål. Da tar det ikke lang tid før kjelen er rødglødende. Fyller du derimot først vann i kjelen og lar den henge over bålet i et like langt tidsrom, vil temperaturen i vannet kun ha steget noen få grader. Dette betyr at selv om en i begge tilfeller har tilført like mye energi vil temperaturen være forskjellig. Vann kan altså lagre mer varme og energi uten at vannmolekylenes bevegelses-energi øker like raskt som for andre stoff. Temperatur er ett uttrykk for bevegelsesenergien til molekylene i stoffet. Vann har unikt høyt varme-innhold i forhold til temperatur. Den varme-mengde som skal til for å heve temperaturen av et gram vann fra f.eks. 15ºC til 16ºC dvs. 1ºC er definert som 1 kalori. Siden den spesifikke varmekapasiteten ofte uttrykkes i kalorier pr gram pr grad (Celsius), er vannets spesifikke varme = 1. Til sammenlikning har sand og jern en varmekapasitet på hhv 0.2 og 0.107, noe som betyr at disse stoffene har 5 og 10 ganger mindre varmekapasitet enn vann. Nært forbundet med vannets usedvanlige store varmekapasitet er dets like usedvanlige høye, latente smelte- og fordampnings-punkt. Dette betyr at når temperaturen er så høy at en væske begynner å koke eller et fast stoff begynner å smelte, inntrer det en form for pause, eller noe en ofte kaller en overgangsfase hvor begge fasene eksisterer samtidig. I dette tidsrommet, som varer til det faste stoffet er fullstendig fordampet, blir varmen absorbert uten at temperaturen endrer seg. Vannets unike egenskaper og det faktum at vann dekker 71% av jordens overflate gjør at vann spiller en livsviktig rolle for oppbevaring og transport av solenergi på jorden. Alle vannets tre faser: fast, flytende og gass spiller en viktig rolle. Spesielt det at vann kondenserer og fordamper i atmosfæren påvirker jordens klima, både på lang sikt og i været fra dag til dag. Som væske i hav og innsjøer virker det som en termostat for hele jordkloden.

Vannets overflatespenning

Med unntak av kvikksølv er vann det stoffet vi kjenner som har den høyeste overflatespenningen. Denne egenskapen ser vi når vannet drypper fra en kran. Langsomt buler det ut en vannhinne som strekker seg gradvis etter som mer vann renner ut. Gradvis blir overflaten større og danner en dråpe hvor kun en liten del av vannoverflaten henger fast i kranen. Dråpen fortsetter og voksne inntil vekten blir så stor at dråpen løsner fra kranen, men vannhinnen går ikke i stykker. I det dråpen faller trekker den seg kraftig sammen til en tilnærmet kuleform. Den sterke tendensen vann har til å samle seg kalles kohesjon. Så lenge overflatespenningen ikke brytes kan vannhinnen bære gjenstander som er mye tyngre enn vannet selv, som et barberblad, en nål eller innsekter. Hadde vannet vært helt rent (uten salter og gasser) og med en fullkommen struktur, er det beregnet at det vil kreves en kraft på 95 000 kg for å bryte en vannsøyle med en diameter på 2,5 cm. Heldigvis kan man kanskje si er dette kun en teoretisk beregning. Alt vann har ufullkommen struktur og inneholder oppløste ioner og gasser. Til tross for dette har mennesket maktet å lage vann som tåler ca 1,4 kg per cm2 før overflatehinnen brister. Styrken på denne overflatehinnen, eller strekkfastheten, kommer da opp mot det vi finner i mange stållegeringer. Vann har ikke bare unike egenskaper når det gjelder å holde sine molekyler sammen, men har også stor evne til å henge på faste stoffer som det kommer i kontakt med. Dette kalles adhesjon (vedheng). Dette er årsaken til at vannet hang på kranen i eksempelet over. Graden av adhesjon varierer sterkt med hvilke stoffer vannet kommer i kontakt med. Vann har blant annet ingen adhesjon for parafin. Derimot har vann sterk adhesjon til glass, stein og leire. Kombinasjonen av både sterke kohesjons- og adhesjonskrefter gjør at vannets overflatehinne i et glass-rør får en konkav form, noe som betyr at vannflaten eller overflatehinnen går høyere opp langs glassveggen enn i midten av røret. Jo mindre diameter røret har jo tydeligere kommer dette frem. I svært tynne rør kan kombinasjonen av kohesjon og adhesjon løfte en vannsøyle til bemerkelsesverdige høyder. Dette fenomenet kalles ofte kapillær kraft eller hårrørs-kraft. Denne kraften er av stor betydning i naturen, hvor den blant annet spiller en stor rolle for transport av vann opp i jorden eller fra treets røtter og opp til bladene som kan befinne seg flere titalls meter over bakken. De samme kapillærkreftene er også viktig for transport av blod i blodårene våre.

Vann som løsningsmiddel

Vannets særegenheter som fysisk substans er ikke bare begrenset til dets unike tetthetsegenskaper, varmeegenskaper og overflatespenning. Like viktig for livsprosesser på jorden er det faktum vann nærmest er et universelt oppløsningsmiddel. Dette betyr at de fleste stoffer lar seg løse i vann. Unntak er mange typer oljer som ikke løses i vann. Olje og vann blir ingen homogen blanding, men består av to faser som ikke lar seg blande. I en ekte oppløsning som for eksempel vann og koksalt (NaCl) løses koksalt i vann ved at saltkrystallene spaltes i ladete partikler eller ioner (Na+ og Cl-). Disse er jevnt fordelt i vannet slik at vi fysisk sett har en fase. Hver eneste innsjø og elv består av en unik oppløsning av et utall komponenter, hvis mengder og konsentrasjoner stadig endres. Oppløsningen av stoff som finnes i et vassdrag avhenger av en rekke lokale forhold. Klima, nedbørsmengde, -type og kjemiske sammensetning i sammenheng med nedbørens geologiske og biologiske forhold, danner grunnlaget for den kjemiske sammensetningen av elvene, innsjøene og grunnvannsmagasinene. Samspillet mellom alle disse faktorene bidrar til svært ulik kjemisk sammensetning av ferskvannet på jorden, samt til store variasjoner i hver av dem gjennom året. Dette variasjons-mønsteret i vannet er også en viktig årsak til det biologiske mangfoldet i våre innsjøer og elver. Verdenshavene har normalt betydelig høyere konsentrasjoner av løste stoffer i vann enn ferskvann, men havene er langt mer kjemisk stabile. Dette betyr at klimaforskjeller og andre fysiske faktorer i større grad bidrar til bio-forskjellene i havet. For fjordsystemer og andre områder hvor elver har betydelig påvirkning på havvannet får vi dannet brakkvann som også danner egne typer øko-systemer. I de fleste tilfeller blir ikke vannet forandret av de stoffene det oppløser. Vi sier at vann er et indifferent løsningsmiddel. Dette er biologisk sett viktig fordi de fleste levende organismer trenger transport med vannet. At vann både er et universelt og indifferent oppløsningsmiddel var nok hovedårsaken til at havet ble betegnet som den Store Mor til alt liv (magna mater). Det var i havets saltløsning de første levende celler ble dannet. Etter hvert som organismer utviklet ulike strategier for å inneslutte den livsviktige løsningen ble det også mulig for organismer å etablere seg på land og i luften. I stor grad har kroppsvæskene til dagens organismer som mennesker, fisk og fugl en kjemisk sammensetning som er svært lik havvann men med konsentrasjoner som ligger mellom hva en normalt finner i ferskvann og havvann. Dette gjør at alle organismer har utviklet spesielle mekanismer for å konsentrere og fortynne vann-oppløsninger for å holde en stabil sammensetning av stoffer i cellene.

Menneskets bruk av vann

Kombinasjonen av behovet for vann og dets mange livsnødvendige komponenter gjør vannet til menneskets og alle andre organismers viktigste næringsmiddel. Intet vann, intet liv. Før fødselen har vi ligget i vann i 9 måneder. Kroppen selv består av 71 % vann, selv knoklene våre inneholder mer enn 20 % vann. Siden vann kontinuerlig fordamper fra kroppens overflate og utåndes via lungene, må vann stadig erstattes. Hvert år må et menneske drikke vann tilsvarende ca 10 ganger sin egen vekt for å holde seg i live. Daglig vannforbruk i oldtiden og middelalderen var sannsynligvis mellom 10-20 liter per person. I det 19.århundre økte det daglige vannforbruket til mellom 40-60 liter per person. I dag har dette forbruket sannsynligvis økt med 5-10 ganger i den vestlige verden. Dette er et resultat av høyere levestandard hvor oppvaskmaskiner, vaskemaskiner, dusj/badekar mm har blitt allemannseie. Samtidig med at privat vannforbruk har økt betydelig har også forbruket av vann økt betydelig innen industri og landbruk. Det er interessant at det blant annet trengs 8-10 tonn vann for å produsere 1 kg kjøtt, 300 liter vann for å lage en liter øl, 10 liter vann til å raffinere 1 liter bensin, 250 tonn vann til å produsere ett tonn tremasse. I Oslo ble det produsert 101,3 millioner kubikkmeter vann (1 013 000 000 liter) til forbrukere i 1999. Dette betyr et daglig forbruk på 550 liter per person. Dette understreker med all tydelighet hvilken sentral rolle vannet spiller innenfor alle sektorer i samfunnet. Det er en svært liten andel av vannmengdene på jorden som er direkte nyttbart ferskvann for mennesker, andre landlevende dyr og ferskvannsorganismer. årlig regner vi med at ca 105 000 km3 (105 000 000 000 000 000 liter) med nedbør faller over jordens landområder. Kun en tredjedel (37 500 km3 per år) av dette vil nå havet via elvene våre, mens de resterende 2/3 forsvinner opp igjen i atmosfæren pga fordampning og som følge av at vegetasjonen avgir fuktighet (transpirerer) som følge av solenergi og fotosyntese. Transpirasjonen fra et stort bjørketre en varm sommerdag kan være over 200 liter, dvs at 200 liter vann er tatt opp gjennom treets røtter og transportert ut til alle grener og blader og videre ut i lufta som vanndamp i løpet av en enkel dag. Hvis vi antar at landområdene på jorden tilføres 37 500 km3 vann per år som kan benyttes av jordens befolkning, vil hvert menneske årlig kunne bruke ca 5400 m3 (5 400 000 liter), forutsatt 7 milliarder mennesker på jorden. Selv om dette virker svært mye i forhold til menneskets fysiske behov på 1-3 liter, er dette ikke tilstrekkelig i lys av dagens teknologiske krav. Gjennomsnittlig husholdningsforbruk på 250 liter per capita, gjennomsnittlig industrikonsum på 1500 liter per capita i landbruket og i områder med varmt og tørt klima viser at ferskvanns-forbruket ligger nært opp til dette naturlige årlige produksjonspotensialet av ferskvann. Realitetene er derimot svært annerledes. For det første, er nedbøren langt fra jevnt fordelt over kontinentene, og menneskene har ikke fordelt vannressursene proporsjonalt. For det andre har forbruk av vann økt eksponentielt i samsvar med kombinasjonen av befolkningsvekst og teknologisk utvikling. Tydeligst kommer dette fram i forbindelse med etablering av nye befolknings-sentre i ørken/halvørken-områder, hvor teknologien muliggjør en slik etablering, men hvor store mengder vann fordamper. I dag er blant annet vannforbruket fra den Gule Floden i Kina så stor at elven i enkelte perioder ikke når ut i havet.



Mer om miljøvennlig solfanger til solenergi.

Kontakt oss om utnyttelse av solenergi.
CATCH SOLAR AS   |   Gamle Ringeriksvei 56   |   1357 Bekkestua   |   Norway   |   +47 91 30 79 19   |   Org 917 597 871