Arbeitsblatt: Energie- und Energieumwandlung

Energie und Energieumwandlung Was ist eigentlich Energie? Energie ist allgegenwärtig. Jeder spricht von ihr und meint zu wissen, was sie ist. Menschen können voll von Energie sein. Politiker sprechen von der Energiewende. Jeder braucht sie: beim Autofahren oder Zugfahren, beim Heizen, beim Liftfahren, beim Erhellen der Räume mit Lampen oder beim Kochen. Wir handeln mit ihr oder „verbrauchen sie. Ohne Energie gäbe es kein Leben. Arbeitsauftrag: Wo begegnet mir im Alltag Energie? Woher kommt Energie? Diese physikalische Grösse spielt in allen Teilgebieten der Physik, Technik, Chemie, Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle. Das Wort Energie kommt aus dem Griechischen (ergon) und bedeutet das Wirken. Hier wird erst deutlich: Wirklich sehen können wir Energie nicht. Wir bemerken ihre Wirkungen. Gemessen wird die Energie in Joule. Sie wird beschrieben als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Ein Körper, der arbeiten, wärmen, leuchten kann, besitzt Energie. Für viel Arbeit, viel Wärme oder viel Licht ist auch viel Energie nötig. Woher aber kommt sie, diese rätselhafte, aber allgegenwärtige Energie? Im Keim des Urknalls steckte sie. Alle Energie des Weltalls war dort drin verborgen. Arbeitsauftrag: Schreibe einen Merksatz zu Energie auf: Welche Energieformen gibt es? Kinetische Energie (Bewegungsenergie) Kinetische Energie entsteht dann, wenn sich Masse bewegt. Ein fallender Stein hat die Energie, ein Hausdach zu durchschlagen. Ein Bach oder ein Fluss kann ein Wasserrad oder eine Turbine antreiben, Wind treibt Windmühlen an. Die Formel für die kinetische Energie lautet: Potenzielle Energie (Lageenergie) Potenziell in potenzieller Energie heisst, dass in einer Masse Energie als Möglichkeit drinsteckt. Sie wird auch als Lageenergie bezeichnet. Je höher ein Gegenstand (eine Masse) sich befindet, desto mehr von dieser möglichen Energie steckt im Gegenstand, da er beim Herunterfallen oder Herunterfahren diese Energie ja in Kinetische Energie umwandeln kann. Ein Spiel zwischen potentieller und Kinetischer Energie findet man in Achterbahnen. Der Wagen wird hochgeschleppt. Danach findet eine ständige Umwandlung von potentieller in kinetische und umgekehrt statt. Die Formel für potentielle Energie lautet: Strahlungsenergie Die Sonne ist eine mächtige Energiequelle. Sie hat ihre Energie aus dem Anfang des Weltalls bekommen, also vom Keim des Urknalls. Die Strahlung, welche von der Sonne auf die Erde kommt, würde ausreichen, um alle unsere Energiebedürfnisse komplett zu decken. Das Problem dabei ist nur, diese Energie ganz und verlustfrei einzufangen. In der Natur bewirkt die Sonne, dass der Kreislauf des Wassers angetrieben wird, dass es regnet und die Felder und Wälder fruchtbar macht. Weiter lässt es die Pflanzen Fotosynthese betreiben, lässt sie Zucker, Stärke und Holz aufbauen, welche wiederum zu Energieträgern werden. Technisch lässt sich die Sonnenenergie mit Solarzellen zu Strom (Photovoltaik), mit schwarzen Schläuchen zu heissem Wasser (Solarthermie) oder mit Spiegelkraftwerken einfangen und in andere Energieformen umformen. Chemische Energie In den verschiedensten Stoffen ist Energie gespeichert. Z. B. in Holz und Kohle, Benzin, Nahrungsmittel, Abfall, Batterien usw. Thermische Energie (Wärmeenergie) Sie wird auch Wärmeenergie genannt. Nicht zu verwechseln mit der Wärme. Wärmeenergie kommt von den sich bewegenden Atomen und Molekülen eines Stoffes. Elektrische Energie Es ist die Energieform, die mittels Elektrizität übertragen oder in elektrischen Feldern gespeichert wird. Wenn diese Energieform in andere Energieformen umgewandelt wird, spricht man von elektrischer Arbeit (W). Kernenergie Die Kernenergie ist die Energieform, die im inneren von Atomen gespeichert ist und bei der Kernspaltung oder Kernfusion (das Gegenteil von Spaltung: Vereinigung) herauskommt. Übersicht Energieformen Energieform Elastische Energie Fülle richtig in die Tabelle Erklärung Beispiele Dank elastischer Gegenstände kann Arbeit als Energie gespeichert werden. Pfeilbogen, Steinschleuder, Sprungbrett, Trampolin Durch die höhere Lage eines Gegenstandes wird durch das Herunterfallen eines Gegenstandes Energie frei. Wenn ein Gegenstand ohne Widerstand rollt, dann wird die Energie in der Bewegung frei. Luftwiderstand und Reibung verhindern, dass die Bewegung unendlich verläuft. Körper, die aufgrund elektrischer Vorgänge Arbeit verrichten, Wärme abgeben oder Licht aussenden. Körper, die aufgrund ihrer Temperatur Wärme abgeben oder Licht aussenden können. Die Strahlung der Sonne bringt Licht und Wärme. Durch chemische Prozesse wird Energie erzeugt. Bei der Spaltung von Atomkernen und ihrer Verschmelzung wird Energie frei. Der Wind treibt Windräder an, die Arbeit verrichten können. Körper können aufgrund ihrer Rotation Arbeit verrichten. Was ist Energieumwandlung? Merke: Energie kann weder erschaffen noch vernichtet werden. Sie kann nur umgewandelt werden! Das Feuer ist wohl die erste Energieumwandlung, die sich der Mensch zu Nutzen gemacht hat. Das im Holz gespeicherte Sonnenlicht wird frei, wenn wir es entzünden. Als erstes wandelten Menschen die Energie des fliessenden Wassers in Bewegung (kinetische Energie) in Windmühlen oder Wassermühlen um. Das Wasser trieb Räder an, welche dann Arbeit verrichten konnten (Mehl mahlen, Holz sägen etc.). Die wohl bedeutendste Energieumwandlung in der Geschichte war die Umwandlung von Wärmeenergie in Bewegungsenergie, dies zum Beispiel in der Dampfmaschine, die früher zum Antrieb von Webstühlen in Fabriken oder bei Lokomotiven eingesetzt wurde. Energieformen umwandeln Energie tritt in vielen Formen auf – aber nicht immer in der Form, die wir gerade brauchen. Das Stromnetz liefert uns zum Beispiel elektrische Energie – aber wenn man im Dunkeln steht, benötigt man keine elektrische Energie, sondern Licht. Doch zum Glück gibt es Geräte, die elektrische Energie in Licht umwandeln: Lampen. Tatsächlich sind fast alle Geräte, mit denen wir täglich zu tun haben, in irgendeiner Weise Energiewandler: Züge und Straßenbahnen zum Beispiel wandeln elektrische Energie in Bewegungsenergie. Die umgekehrte Richtung kennt man vom Fahrraddynamo: Bewegungsenergie wird zu elektrischer Energie. Weiterführende Informationen zur Energieentwertung Ein Automotor wandelt chemische Energie, die im Benzin gespeichert ist, in Bewegungsenergie um – in der Theorie ist das ganz einfach. Tatsächlich passiert noch einiges mehr: Der Motor wird warm und das Auto erzeugt Abgase und Lärm. Anders ausgedrückt: Im Motor bleibt Wärmeenergie übrig; die Abgase enthalten Wärme und Bewegungsenergie und auch mit den Schallwellen entweicht Energie aus dem Motor – das sind eigentlich unerwünschte Energieformen. Ein Elektromotor wandelt 70% der elektrischen Energie in Bewegungsenergie um. 30% der Energie werden in Form von Wärme freigegeben. Und das geschieht auch bei anderen Energieumwandlungen: Eine Solarzelle zum Beispiel soll Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln – das gelingt aber nur mit einem Teil der Strahlungsenergie, der Rest endet als Wärme. Und selbst wenn die Energie nur transportiert werden soll, kommt nicht alle Energie in der gewünschten Form am Ziel an: Elektrische Leitungen erwärmen sich, ein Teil der elektrischen Energie wird unterwegs zu Wärme. Achsen drehen sich in Achslagern – auch hier entsteht Reibungswärme und die Rotationsenergie nimmt ab. Die Energie geht dabei zwar nicht verloren, aber sie kommt nicht zu 100 Prozent dort an, wo man sie gerne hätte. Wie viel Prozent der Energie, die man in ein Gerät investiert, dann wirklich in der gewünschten Form herauskommen, bezeichnet man als den Wirkungsgrad des Geräts. Für einen Benzinmotor beträgt er zum Beispiel etwa 20 Prozent. Bei einer konventionellen Glühlampe ist der Energieverlust besonders groß: Nur 5% werden in Lichtenergie umgewandelt, während 95% in Form von Wärme verpuffen. Schön wäre es, wenn man die restliche Energie „einfangen und auch noch in die gewünschte Form umwandeln könnte. Leider ist das aber gerade bei Wärme nicht möglich, denn Wärme hat eine störende Eigenschaft: Alle Energieformen können vollständig in Wärme umgewandelt werden – aber Energie, die in Wärme vorliegt, kann man nicht vollständig in eine andere Energieform zurückwandeln. Es bleibt immer ein nicht umwandelbarer Anteil von Wärme und die darin enthaltene Energie übrig. Diese Energie ist zwar immer noch da, aber sie kann nicht mehr in anderer Form genutzt werden – sie ist wertlos. Durch eine Umwandlung in Wärme wird die Energie also entwertet. Oft spricht man statt von „Energieentwertung auch von „Energieverbrauch oder „Energieverlust. Streng genommen ist das aber nicht ganz richtig – schließlich ist die Energie ja noch da, nur eben in einer Form, die man nicht mehr anders nutzen kann. Man kann einiges tun, um so wenig Energie wie möglich zu entwerten: Windschnittigere Autos mit geringerem Luftwiderstand bauen, Oberflächen polieren, damit keine Reibung auftritt, Achsen mit Kugellagern ausstatten und mit Fett oder Öl schmieren. Aber wie weit lässt sich die Energieentwertung vermeiden? Kann man ein Gerät völlig ohne Reibung bauen? Eine solche Maschine könnte ewig laufen, wäre also auch ein Perpetuum Mobile – und auch sie kann es nicht geben. Denn ganz lässt sich nicht verhindern, dass Reibung auftritt. Ständig wird ein bisschen Bewegungsenergie zu Wärme – und die lässt sich nicht wieder vollständig zurückwandeln. So wird im Laufe der Zeit immer mehr Energie zu Wärme, bis am Ende alle Energie in Wärme vorliegt und die Maschine stehen bleibt. Lösungen Energieform Erklärung Dank elastischer Elastische Gegenstände kann Arbeit Energie als Energie gespeichert werden. Durch die höhere Lage Lageenergie eines Gegenstandes wird (potenzielle durch das Herunterfallen Energie) eines Gegenstandes Energie frei. Wenn ein Gegenstand ohne Widerstand rollt, Bewegungsen dann wird die Energie in ergie der Bewegung frei. (kinetische Luftwiderstand und Energie) Reibung verhindern, dass die Bewegung unendlich verläuft. Körper, die aufgrund elektrischer Vorgänge Elektrische Arbeit verrichten, Wärme Energie abgeben oder Licht aussenden. Körper, die aufgrund Wärmeenergie ihrer Temperatur Wärme (therm. abgeben oder Licht Energie) aussenden können. Sonnenenergi Chemische Energie Kernenergie Windenergie Rotationsener gie Die Strahlung der Sonne bringt Licht und Wärme. Durch chemische Prozesse wird Energie erzeugt. Bei der Spaltung von Atomkernen und ihrer Verschmelzung wird Energie frei. Der Wind treibt Windräder an, die Arbeit verrichten können. Körper können aufgrund ihrer Rotation Arbeit verrichten. Beispiele Bogen, Steinschleuder, Gummiband, Auotpneu Steinschlag, Lawine, Rollende Kugeln, Flugzeug, Kinderschaukel Blitz, Bohrmaschine, Mixer, Heisses Wasser, Kerzenflamme, glühender Stahlklotz Tageslauf, warme Steinplatten an Sonnentagen Feuer, Batterie, Verbrennungsmotor Spaltung der Atomkerne des Urans Windmühle, Stromproduktion Waschmaschine, Helikopterrotor Willkommen im Energie-Labor! Hier im Labor lassen sich verschiedene Formen von Energie ineinander umwandeln. Das Gewicht ist am Anfang ganz nach oben gezogen. Sobald man den hölzernen Hebel (links oben) umlegt, rollt das Seil ab. Das Gewicht verliert Höhe und treibt dabei einen Dynamo an. Der so entstehende Strom lädt den Akkumulator auf. Nur 55% der Bewegungsenergie eines Dynamos werden in elektrische Energie umgewandelt. 45% werden als Wärme abgegeben. Mit dem Schalter (rechts oben) schließt man den Stromkreis zwischen Akku und Lampe. Das Licht der Lampe scheint auf die Solarzelle, die wiederum den Motor antreibt. Damit wird das Gewicht wieder nach oben gekurbelt. Danach kann erneut der Hebel umgelegt werden, sodass das Gewicht ein weiteres Mal nach unten sinkt und den Dynamo in Bewegung setzt Über die Skalen lassen sich Lageenergie, chemische Energie und die freigewordene Wärme in Echtzeit miteinander vergleichen. Außerdem kann man ausprobieren, wie sich das Verhalten der Geräte ändert, wenn man den Perpetuum mobile-Schalter betätigt – leider ist ein solcher Schalter in der Wirklichkeit nicht möglich.