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Energie kommt in verschiedenen Formen vor:
(In den Klammern stehen alternative Bezeichnungen für die Formen.)
Die Energieformen können durch Wandler ineinander umgewandelt werden. Hier ein paar Beispiele:
Die Umwandlung von einer Energieform durch einen Energiewandler in eine andere Energieform, kann durch ein Energieflussdiagramm dargestellt werden. Dabei steht in einem Pfeil die eingehende Form, dann in einem Kasten der Wandler und in einem weiteren Pfeil die ausgehende Form.
Beispiel: Ein Wasserkocher wird an die Steckdose angeschlossen und erhitzt Wasser. Dabei wandelt er elektrische Energie in Wärmeenergie um:
Energie kann mehrmals nacheinander umgewandelt und dabei von einem Wandler zum nächsten weitergegeben werden. Man kann sie dann mit einer Energieübertragungskette darstellen.
Aufgabe 1: Zeichne die Energieübertragungskette ab und trage in die beiden leeren Felder die Energieformen bzw. -wandler ein, die dafür sorgen, dass beim Radfahren durch einen Dynamo die Lampe leuchtet.
Aufgabe 2: Erstelle die Übertragungsketten für folgende Situationen:
a) Die Strahlungsenergie der Sonne wird in einer Solaranlage in elektrische Energie umgewandelt, mit der ein Elektroauto in Bewegung versetzt wird.
b) Ein Hamster nimmt die chemische Energie des Futters auf, wodurch er ein Hamsterrad betreibt, das mit einem Dynamo elektrische Energie erzeugt.
c) Die Bewegung von Meeresströmungen wird in einem Gezeitenkraftwerk nutzbar gemacht, indem es die Energie davon in elektrische Energie umwandelt, die dann beispielsweise für das Betreiben unseres Fernsehers genutzt werden kann.
d) Moritz muss vor dem Joggen die nötige Energie zu sich nehmen. Am liebsten frühstückt er einige Zeit vorher Müsli, das er aber immer mit warmer Milch isst.
(Hinweis: Dies ist eine längere Kette mit drei Wandlern: „Elektroherd“, „Müsli“ und „Moritz“. Überlege dir gut, welche vier Energieformen hier umgewandelt werden.)
Aufgabe 3: Der etwas andere Wecker.
Daniel, der junge Erfinder, hat sich alles genau überlegt: Sein Zimmer hat ein Fenster in das morgens die Sonne scheint. Sie scheint dann auf eine Solarzelle und eine Lupe. Die Lupe bündelt das Licht derart, dass durch den durchgebrannten Faden eine Weckmaschine in Gang gesetzt wird.
Er möchte zuerst von einem sanften Luftzug und danach richtig von einer Klingel geweckt werden. Wenn er schließlich aufsteht, soll sein Kaffeewasser bereits heiß sein.
Zeichne eine passende Energieübertragungskette für den Wecker.
Für Energien kann man auch Mengenangaben machen. Die Einheit dazu heißt "Joule" (kurz: J).
Bei Höhenenergie: Wenn man 1 kg um 1 m hochhebt, hat man 10 J Energie umgewandelt.
Eine 70 kg schwere Person steigt auf einen 1,2 km hohen Berg. Wie viel Joule entspricht das?
1 kg um 1m sind 10 J
70 kg um 1 m sind dann 70∙10 J = 700 J
70 kg um 1200 m sind dann 1200∙700 J = 840.000 J
In einer Kiste sind verschiedene Gegenstände. Einer wiegt 5 kg, einer wiegt 3 kg und ein anderer wiegt 8 kg. Wie viel Energie braucht man, um die Kiste 6 m hoch zu heben?
Zusammen sind es 16 kg
1 kg um 1m sind 10 J
16 kg um 1 m sind dann 16∙10 J = 160 J
16 kg um 6 m sind dann 160∙6 J = 960 J
Lebensmittel bestehen aus vielen Inhaltsstoffen. Für die Energieversorgung unseres Körpers sind hauptsächlich Fett, Kohlenhydrate (Zucker) und Eiweiß (Proteine) verantwortlich. Dabei benutzt man meistens Kalorien (kcal) anstatt Joule als Einheit. In den Tabellen auf den Lebensmittelverpackungen stehen meistens beide Angaben.
Fett: 1 g = 9 kcal = 37.000 J
Kohlenhydrate: 1 g = 4 kcal = 17.000 J
Eiweiß: 1 g = 4 kcal = 17.000 J
Beispiel: Ein Apfel hat circa 350.000 J chemische Energie.
Arbeitsblatt: AB2_Mit_Energie_rechnen.pdf
Um einfach und ohne Rechnung Energieumwandlungen anzuzeigen, kann man sie als Füllstände von Energiekonten darstellen. Dabei hat jede Energieform ein Konto. Dabei kürzt man die Bezeichnungen mit einem Buchstaben ab. Wandelt sich dann eine Form in eine andere um, so leert sich ihr Konto und das der anderen füllt sich.
Zusammen ergeben alle Füllstände immer genau ein volles Konto, weil Energie nicht mehr oder weniger werden kann, sondern nur umgewandelt wird.
Beispiel Pendel: Ein Pendel, das hin und her schwingt, wandelt Höhenenergie H in Bewegungsenergie B um und wieder umgekehrt. Am höchsten Punkt steht es still und hat nur Höhenenergie. Am tiefsten Punkt ist es am schnellsten und hat nur Bewegungsenergie.
Beispiel Flummi: Ein Flummi, der auf und ab springt, wandelt Höhenenergie H in Bewegungsenergie B um. Am Boden wird kurzzeitig die gesamte Begewegungsenergie in Spannenergie S umgewandelt. Diese katapultiert ihn schließlich wieder nach oben, indem sie wieder zu Bewegungsenergie in die andere Richtung wird.
Arbeitsblatt: AB3_Kontomodell.pdf
Ein Flummi wird aus einer bestimmten Höhe losgelassen und fällt auf den Boden.
a) Ordne den vier Zeitpunkten (1, 2, 3 und 4) die passenden Kontostände (A, B, C und D) zu und notiere die Zuordnung.
(H: Höhenenergie, B: Bewegungsenergie, S: Spannenergie)
b) Beschreibe die Energieumwandlung beim Flummi mit eigenen Worten.
Ein aufziehbares Auto wurde zurückgezogen und dann losgelassen. Die gespannte Feder im Inneren entspannt sich allmählich und treibt das Auto damit voran. Dabei wird die Spannenergie (S) in Bewegungsenergie (B) umgewandelt.
Zeichne die drei Konten ab und trage darin die jeweiligen Füllstände ein.
Ein Fadenpendel (siehe Experiment vorne) wird zum Hin-und-Her-Schwingen gebracht.
a) Beschreibe, um welchen Zeitpunkt es sich bei dem Energiekonto handeln kann:
c) Erkläre, wieso das folgende Energiekonto nicht richtig sein kann:
Ein Mädchen springt auf einem Trampolin. In der Abbildung sind fünf verschiedene Zeitpunkte eines Sprungs abgebildet:
a) Zeichne für jeden der abgebildeten Zeitpunkte (1 bis 5) ein Konto mit den drei Energieformen Höhenenergie, Bewegungsenergie und Spannenergie. Fülle dann jeweils passend die Konten. (Achte auf den Unterschied bei 1 und 5.)
b) Beschreibe die Energieumwandlung beim Trampolin mit eigenen Worten.
1 Joule ist ungefähr die Energie, die es braucht ...
- um 1 kg um 10 cm hochzuheben,
- oder um 0,1 kg um 1 m hochzuheben.
1 kg um 1 m hochzuheben sind demnach 10 J.
Um Zahlen abzukürzen, nutzt man Vorsilben:
Beispiel: Wie viel Joule sind 381,58 MJ?
381.580.000 J
Fülle die restlichen Lücken aus. Joule-Werte sind proportional zur Höhe und zur Masse.
Wie viel Joule an Höhenenergie muss ein 75 kg schwerer Mensch aufbringen, um auf einen Berg zu steigen, der 2.300 m hoch ist?
Lösung: Er muss dafür 172,5 kJ aufbringen.
Bei jeder Energieumwandlung tritt auch immer Wärme auf. Sie ist meistens unerwünscht und wird dann Abwärme genannt. Das Problem dabei ist, dass sie sich mit der Umgebung verbindet und danach kaum noch nutzbar ist. In Übertragungsketten zeichnet man sie als abgehenden Pfeil ein.
Beispiel Leuchtdiode: Bei einer Leuchtdiode (LED) wird nur ungefähr 30% der eingehenden Energie in Lichtenergie umgewandelt. 70% fließen als Abwärme in die Umgebung.
Ein Kochtopf steht auf einer zu großen Herdplatte (siehe Bild). Fülle die Lücken passend aus:
Den Unterschied zwischen Wärmeenergie und Abwärme kann man anschaulich beim Kochen erklären. Da der __________________ kleiner ist als die heiße __________________, geht ein Teil der _____________ verloren. Der Anteil, der zum Kochen verwendet wird, ist die __________________, da sie ja die gewünschte Energieform zum Heißmachen ist. Der Anteil, der bloß die Luft erwärmt und nicht den __________________, ist die _______________. Sie wird in der Herdplatte aus elektrischer Energie ________________, ohne sinnvoll genutzt zu werden.
Kochtopf, Herdplatte, Energie, Wärmeenergie, Kochtopf, Abwärme, umgewandelt
Beschreibe jeweils, weshalb die Höhe beim Fadenpendel (linkes Bild) und beim Flummi (rechts Bild) immer geringer wird.
Es wird immer weniger, weil es sich an der Luft reibt und dabei wärmer wird. Dies nennt man Abwärme. Somit wird die Höhenenergie und Bewegungs-energie immer weniger und es steigt die Wärmeenergie.
Beschreibe die energetische Funktion einer Wärmedämmung anhand der Grafik.
Antwort: In dem Haus ohne Wärmedämmung verlässt mehr Wärmeenergie das Haus als bei dem mit Wärmedämmung. Somit wird mehr Energie verschwendet, um das Haus warm zu halten. Das ist die Abwärme (verschwendete Wärme-energie).
Alle Energieformen sollen kreisförmig angeordnet werden (siehe Bild). Dann sollen mehrere mit nummerierten Pfeilen verbunden werden, die für Wandler stehen, die eine Form in eine andere umwandeln. Der Pfeil 1 ist bereits vorgegeben. Bei ihm wird Bewegungsenergie durch einen Dynamo in elektrische Energie umgewandelt.
a) Übernehme das Bild ins Heft.
b) Notiere alle weiteren Energieformen darin.
c) Zeichne mindestens 10 weitere nummerierte Pfeile und notiere, mit welchem Wandler sich die Formen dabei jeweils umwandeln lassen. Überlege dabei vorher, welche du verbindest, da einige einfacher sind.
Früher wurden Züge nicht elektrisch oder mit einem Dieselmotor angetrieben, sondern es wurde darin Kohle in einem Ofen verbrannt (in einer sogenannten Dampf-Lokomotive). Damit wurde Wasser in einem Kessel erhitzt und der dadurch entstehende Luftdruck an einer Turbine in Bewegung umgewandelt.
Hinweis: Luftdruck ist Bewegungsenergie in Luft.
Zeichne mithilfe der nachfolgenden Begriffe die Energie-Übertragungskette (Pfeile und Kästchen) für die Dampf-Lokomotive. Überlege dafür zunächst, was davon Wandler und was Energieformen sind und bringe dann alles in die richtige Reihenfolge.
Begriffe: Kohle, Ofen, Bewegungsenergie, Turbine, chemische Energie, Bewegungsenergie, Lokomotive, Wärmeenergie, Wasser im Kessel
Es beginnt mit der Kohle. Danach folgen abwechselnd Formen und Wandler.
Im Bild ist links dargestellt, wie jemand einen Sack um 3 m hochhebt und dafür 300 J benötigt. Bei a) bis e) sind jeweils weitere Höhen bzw. weitere Säcke gezeichnet. (Die Säcke sind jeweils gleichschwer.)
Notiere die nötige Energie für a) bis e).
Es muss nicht kompliziert gerechnet werden. a) ist doppelt so hoch wie bei den 300 J. b) ist dreimal so hoch. c) ist doppelt so schwer wie bei den 300 J, usw.
Merksatz: 1 kg um 1 m anzuheben benötigt 10 J Energie.
In einer Kiste sind verschiedene Gegenstände. Einer wiegt 5 kg, einer wiegt 3 kg und ein anderer wiegt 8 kg. Wie viel Energie braucht man, um die Kiste 6 m hoch zu heben? Berechne.
Merksatz: 1 kg um 1 m anzuheben benötigt 10 J Energie.
Der Bergsteiger Tim wiegt 70 kg und möchte einen 800 Meter hohen Berg erklimmen.
a) Berechne, wie viel Höhenenergie er dafür aufbringen muss. Gib die Zahl mit einer passenden Vorsilbe an.
b) Tim nimmt noch 20 kg Reiseproviant mit. Wie viel Höhenenergie ist es dann insgesamt?
Bei einem Pumpspeicherwerk kann Energie gespeichert werden, um sie später wieder zu nutzen (wie bei einem Akku). Dafür wird mit Pumpen im Sommer Wasser hochgepumpt. Wenn man im Winter Energie benötigt, wird das Wasser wieder herunter gelassen, wobei es durch Turbinen fließt und diese antreibt.
a) Beschreibe die Energieumwandlungen beim Pumpspeicherwerk mit eigenen Worten. Nutze dafür die dargestellte Energie-Übertragungskette.
b) Erläutere die Energieentwertung durch Abwärme beim Pumpspeicherwerk. Beachte dabei den kleiner werdenden Energie-Pfeil in der Energie-Übertragungskette.
Eine Kugel wird an den Rand einer Schale gelegt und losgelassen. Sie rollt danach hin und her (siehe Bild). Es wird im Verlauf der Zeit zu sehen sein, dass die Kugel immer weniger hoch rollt. Das liegt daran, dass immer ein bisschen Energie in Abwärme umgewandelt wird.
Übertrage die Energiekonten a bis e ins Heft, notiere darin die Anfangsbuchstaben der beteiligten Energieformen und fülle die Konten entsprechend der Zeitpunkte a bis e im Bild.
Ein sogenanntes Perpetuum Mobile ist eine Maschine, die unendlich lange weiterläuft und dabei keine Energiezufuhr benotigt. Beschreibe an der dargestellten Maschine, warum das nicht möglich ist.
Wo entsteht dabei Abwärme und wie sorgt diese dafür, dass ein Perpetuum Mobile unmöglich ist?
Die Wandler sind Beispiele. Es könnten noch viele andere genannt werden.
a) 600 J
b) 900 J
c) 600 J
d) 1200 J
e) 1800 J
(Würden 3 Säcke um 3 m hochgehoben, so wären es 3∙300 J = 900 J. Bei 6 m sind also 1800 J.)
Es können entweder die einzelnen Energien berechnet und am Ende addiert werden, oder man addiert die kg gleich zu Anfang und berechnet die gemeinsame Energie.
5 kg + 3 kg + 8 kg = 16 kg
1 kg um 1 m sind 10 J
16 kg um 1 m sind 16∙10 J = 160 J
16 kg um 6 m sind 6∙160 J = 960 J
a)
1 kg um 1 m sind 10 J
70 kg um 1 m sind 70∙10 J = 700 J
70 kg um 800 m sind 800∙700 J = 560.000 J = 560 kJ
b) 70 kg + 20 kg = 90 kg
1 kg um 1 m sind 10 J
90 kg um 1 m sind 90∙10 J = 900 J
90 kg um 800 m sind 800∙900 J = 720.000 J = 720 kJ
a) Eine Pumpe wandelt elektrische Energie in Höhenenergie um, indem sie Wasser nach oben pumpt. Wird das Wasser wieder abgelassen, so wandelt sich die Höhenenergie im Speichersee in Bewegungsenergie um. Eine Turbine wandelt die Bewegungsenergie aus dem fließenden Wasser dann wieder in elektrische Energie um.
b) Da bei jeder Energieumwandlung Abwärme (thermische Energie in die Umgebung) auftritt, wird die Nutzbare Energie immer kleiner. Das kann man an der Energie-Übertragungskette sehen, weil der obere Pfeil immer kleiner wird. So ist die elektrische Energie am Ende kleiner als die elektrische Energie, die am Anfang hingegeben wurde. Das ist Energieentwertung, weil der Teil der Energie, der in die Umgebung geflossen ist, nicht mehr genutzt werden kann.
Die beteiligten Energieformen sind:
H: Höhenenergie
B: Bewegungsenergie
A: Abwärme
Es tritt bei jeder Umwandlung etwas Abwärme auf. Diese fehlt dann bei den anderen Energien. Insgesamt ergeben alle Konten schließlich weiterhin ein gefülltes und nicht mehr. Die Kugel rollt dadurch nicht mehr so hoch wie am Anfang.
Bei jeder Energieumwandlung tritt Abwärme auf. Bei der Maschine reiben sich beispielsweise die ganzen Räder auf ihren Stangen und die Bänder zur Übertragung. Dadurch wird alles ein wenig Wärmer. Auch die Luft wird gerieben und bewegt, wenn die Behälter links sich bewegen und wenn das Wasser durch sie hindurch strömt. Da diese Wärme Energie aus der Maschine zieht, hat sie selbst für die Umwandlungen immer weniger zur Verfügung. Die Drehungen werden langsamer, bis sie stehenbleibt.