I slutet av 1700-talet var Sverige ett av Europas fattigaste länder. Detta förändrades drastiskt under den industriella revolutionen, mycket tack vare motor-uppfinningar som ångmaskinen. Utvecklingen av motorer lade grunden för fabriker och transporter och det hjälpte Sverige att bli ett av världens rikaste länder.

För klimatets skull håller vi idag på att gå över till elmotorer och bränslen som vätgas. Men många av dagens fordon bygger fortfarande på samma grundprincip som utvecklats under hundratals år: förbränningsmotorn.

En motors uppgift kan låta enkel: få hjulen att snurra. Men hur omvandlar man egentligen energin som finns lagrad i bränsle till en snurrande rörelse? För att förstå det måste vi först titta på de fysikaliska regler som styr motorn. Tricket är att utnyttja att tryck och temperatur hänger ihop. När man ändrar temperaturen ändras trycket. Två huvudprinciper används i en motor:

1. Varm gas kräver plats (expansion). Det här är den viktigaste regeln. När en gas stängs in och värms upp ökar trycket. Gasen vill expandera och trycker då utåt åt alla håll. Ju mer gasen värms upp, desto högre blir trycket. Det är därför det är så farligt om det börjar brinna där det finns gasflaskor. När gasflaskorna blir varma så ökar trycket, och då kan flaskan explodera.

2. Värmeledning tänder gnistan. En gnista från ett tändstift är otroligt varm. Denna värme sprider sig blixtsnabbt till bränslet, vilket startar förbränningen.

Motorns delar För att omvandla trycket från den varma gasen till rörelse behövs några smarta mekaniska delar.

[bild på motorns delar]

• Ventiler. Inloppsventilen släpper in bränsle och luft, medan utloppsventilen släpper ut avgaser.

• Tändstiftet får bränslet att börja brinna. Det startar en kontrollerad explosion.

• Cylinder och kolv. Cylindern är det utrymme där explosionen sker. Inuti den kan kolven röra sig upp och ner. Den drivs av tryckökningen då bränslet brinner i cylindern.

• Vevstake och vevaxel. Kolven är kopplad till en vevaxel via en vevstake. När kolven pressas ner, tvingar den vevaxeln att snurra runt – ungefär som när du trampar på pedalen på en cykel.

De fyra takterna – Motorns arbetscykel För att vevaxeln ska fortsätta snurra måste motorn upprepa en serie händelser om och om igen. Detta kallas för en arbetscykel. Varje cykel består av fyra steg, och när dessa är klara har vevaxeln snurrat två varv.

1. Insuget (kolven går ner). Processen startar med att kolven rör sig nedåt. Inloppsventilen öppnas och det skapas ett sug som fyller cylindern med en blandning av luft och bränsle.

2. Kompressionen (kolven går upp). När kolven når botten stängs ventilen. Kolven vänder nu uppåt och pressar ihop gasblandningen till ett mycket litet utrymme. När utrymmet minskar byggs ett högt tryck upp.

3. Arbetstakten (explosionen). Precis när gasen är som mest ihoptryckt skickar tändstiftet en gnista. Blandningen exploderar och temperaturen rusar i höjden. Den heta gasen vill expandera och trycker kolven nedåt med enorm kraft. Det är bara i detta ögonblick som motorn faktiskt skapar kraft och får vevaxeln att snurra snabbare.

4. Utblåset (kolven går upp igen). När kolven nått botten är kraften förbrukad. Utloppsventilen öppnas och den snurrande vevaxeln trycker upp kolven igen, vilket pressar ut de gamla avgaserna.

När cylindern är tom är motorn redo att börja om på steg 1 igen. Varvräknaren i en bil visar hur många sådana här cykler motorn hinner med varje minut. Ju mer man gasar, desto fler explosioner sker per sekund. Ju fler explosioner per sekund,  desto snabbare snurrar vevstaken. Och ju snabbare vevstaken snurrar, desto snabbare snurrar hjulen.

[bild på en cykel med motorn]

En serie av fyra bilder som visar principen för hur en motor fungerar.

Två fantastiska uppfinningar som har gjort livet enklare är kylskåp och frysar. De låter oss förvara mat mycket längre än vi kunde utan dem. Kyl och frys har också gjort det möjligt att transportera känsliga varor som till exempel mediciner. Både kylskåpet och frysen bygger på samma idé. Kylskåpet är en svensk uppfinning från 1922. Idén bygger på att man flyttar värme inifrån kylskåpet och släpper ut den i köket.

[Bild. En bild som beskriver hur ett kylskåp fungerar där det är kallt i kylskåpet och varmt utanför.]

För att förstå hur det här går till måste vi först titta på kylskåpets olika delar.

1. Köldmedel. För att flytta värme används ett speciellt ämne som kallas köldmedel. Köldmedlet pumpas runt i ett system av rör, både inne i kylen och på utsidan. De grå pilarna i bilden ovan visar åt vilket håll köldlmedlet transporteras.

2. Kompressor. Kompressorn trycker ihop köldmedlet. När trycket ökar ökar också temperaturen. Det är kompressorn som ger ifrån sig det surrande ljudet du kan höra i köket om det är tillräckligt tyst.

3. Trycksänkningsventil. I trycksänkningsventilen sänks trycket på köldmedlet igen. När trycket sjunker så sjunker också temperaturen. Man kan ibland känna en liknande effekt när man sprutar med en sprejflaska. När man sprutar sänks trycket i flaskan, och då sjunker temperaturen i den också. Om det går tillräckligt fort kan man känna att sprejflaskan känns lite kallare.

I kylskåpet utnyttjar man två fysikaliska regler för att kyla maten:

1. Värmeenergi går alltid från varmt till kallt. Om det är olika temperatur på olika ställen så kommer det som är varmt att värma upp det som är kallt.

2. Tryck och temperatur är beroende av varandra. Detta fungerar precis som för en motor [länk till avsnittet om förbränningsmotorn]. Den enda skillnaden är att vi sänker temperaturen i kylskåpet. Om temperaturen ändras så kommer trycket också ändras på samma sätt. Alltså: om trycket minskar så kommer temperaturen minska, och det blir kallare.

Nu ska vi kika på hur de olika delarna i kylskåpet använder de här fysikaliska reglerna.

1. Inne i kylen finns rör med köldmedel. Köldmedlet är kallare än maten vilket gör att värme i överförs från maten till köldmedlet. Maten kyls då ner.

2. Köldmedlet är nu är lite varmare än när det kom in i kylskåpet. Köldmedlet flödar genom rören ut ur kylen till kompressorn. Kompressorn sitter på baksidan, utanför kylskåpet. I kompressorn trycks kylmedlet ihop. Trycket ökar snabbt. Detta gör att temperaturen ökar. Köldmedlet blir nu varmare än luften i rummet utanför kylen.

3. Nu kommer det varma köldmedlet att flyta genom långa rör bakom kylen. Det varma köldmedlet överför nu värme till luften i köket, eftersom luften är kallare än köldmedlet.

4. TIll slut når köldmedlet trycksänkningsventilen. Här sänks trycket vilket gör att temperaturen sjunker. Köldmedlet kan nu skickas tillbaka in i kylen. Där  tar köldmedlet upp mer värme från maten – och så börjar processen om.

Värmepumpar har blivit ett populärt sätt att värma hus på. Värmepumpen är väldigt effektiv och minskar elförbrukningen. På sommaren kan man också använda den för att sänka temperaturen inomhus. Om man använder värmepumpen för att sänka temperaturen kallas den för luftkonditionering eller AC (från engelskans air condition). I båda fallen är principen för värmepumpen exakt den samma som för kylskåpet [länk till avnsittet om kylskåp ifall det här inte kommer direkt efter det]. Man flyttar värme för att kyla ner eller värma upp huset. Husets väggar har nu samma funktion som kylskåpets väggar. Helst ska alltså huset vare isolerat, och alla fönster stängda, så att värme inte  flyttas mellan det kalla och det varma området.

[Bild a) Bild över hur köldmedlet transporteras mellan utomhus och inomhusdelen. b) en monterad inomhusdel av värmepumpen. c) tre monterade utomhusdelar för tre olika värmepumpar.]

I en värmepump transporteras köldmedel i rör från utsidan av huset till insidan. Ska man ha en värmepump måste man alltså installera två delar, en utomhusdel och en inomhusdel. Genom att höja och sänka trycket höjer och sänker man temperaturen på köldmedlet. Precis som i ett kylskåp använder man en kompressor för att värma köldmedlet och en trycksänkningsventil för att sänka temperaturen. Både kompressorn och trycksänkningsventilen sitter på utsidan av huset, eftersom de låter ganska mycket.

På vintern använder man värmepumpen för att ha det varmt och skönt inomhus. Då fungerar värmepumpen så här:

1. Köldmedlet måste vara kallare än utomhusluften för att värmepumpen ska fungera och kunna ta upp värme utomhus. Precis som i kylskåpet kyls köldmedlet ner när det strömmar ut ur trycksänkningsventilen. Det kalla köldmedlet värms sedan upp av luften utomhus. Men det kan vara ganska kallt ute på vintern i Sverige. Om skillnaden i temperatur blir för liten, eller utomhusluften till och med blir kallare än köldmedlet, slutar värmepumpen fungera. De flesta värmepumpar fungerar dåligt ifall utomhustemperaturen blir lägre än under -15 till -25 grader.

2. Köldmedlet som värmts upp utomhus värms nu upp ännu mer i kompressorn. Sedan transporteras r det in i huset.

3. Inne i huset lämnar det varma köldmedlet nu av sin energi. Varm luft strömmar ut ur inomhusenheten som innehåller fläktar. Det ljumna köldmedlet transporteras sedan ut ur huset.

4. Det ljumna köldmedlet kyls snabbt ner när det går genom trycksänkningsventilen, innan den värms upp av utomhusluften igen.

Både kylskåpet och värmepumpen bygger på principen att om trycket ökar så ökar temperaturen, och om trycket minskar så minskar temperaturen. Vi ändrade alltså på temperaturen genom att ändra på trycket. När vi tittade på motorn så ökade vi istället trycket i gasen genom att öka temperaturen. Vi ändrade alltså trycket genom att ändra temperaturen. Om man vill kan man därför säga att ett kylskåp eller en värmepump är som en motor som körs baklänges.

Motorer, kylskåp och värmepumpar kan verka som helt olika uppfinningar, men de bygger på liknande fysikaliska idéer. I en förbränningsmotor används värme för att öka trycket i en gas. När bränsle och luft antänds i cylindern blir gasen mycket varm, trycket ökar och kolven pressas nedåt. Med hjälp av vevstake och vevaxel omvandlas kolvens rörelse till rotation som kan driva hjulen på ett fordon. Motorn visar alltså hur kemisk energi i bränsle kan omvandlas till värme, tryck och till slut rörelse.

I ett kylskåp och en värmepump används också sambandet mellan tryck och temperatur, men på ett annat sätt. Genom att höja och sänka trycket på ett köldmedel kan man få det att ta upp värme på ett ställe och lämna ifrån sig värme på ett annat. Kylskåpet flyttar värme från maten inne i skåpet till luften i köket. Värmepumpen gör samma sak, men i större skala: den kan flytta värme från utomhusluften in i huset på vintern, eller från huset utomhus på sommaren.

Tillsammans visar de här exemplen hur viktig energiomvandling är i vardagen. En motor omvandlar energi till rörelse, medan kylskåp och värmepumpar flyttar värme från en plats till en annan. I alla fallen används kunskap om värme, tryck, temperatur och energi för att lösa praktiska problem: att få fordon att röra sig, att hålla mat kall och att värma eller kyla våra hem. Det visar också att fysik inte bara handlar om formler, utan om tekniken som finns runt omkring oss varje dag.