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| − | ==Einführung und Beispiele==
| + | #WEITERLEITUNG [[Das Konzept der Energie (Energieträger und Potential)]] |
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| − | Bild:Mischbrot.jpg|Womit Menschen ihre Energie beziehen können.
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| − | Bild:Zapfsäule.jpg|Und womit Autos ihre Energie beziehen.
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| − | Bild:Stromtankstelle.jpg|Vielleicht bald auch so!
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| − | Bild:Kolbenkompressor.jpg|Druckluft wird auch für große Kraftwerke als Speicher erwogen.
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| − | Bild:Radfahrer.png|Wie man als Mensch die gespeicherte Energie wieder loswerden kann.
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| − | Bild:Kerze.jpg|Im Wachs der Kerze und in der Flamme steckt Energie.
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| − | Bild:Windrad.jpg|Die Luft wird abgebremst, der Rotor angetrieben.
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| − | Bild:leer.jpg|Peltierelement
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| − | Bild:leer.jpg|Stirlingmotor
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| − | Bild:Oberschlächtiges_Mühlrad_Schloss_Homburg.jpg|Ein Oberschlächtiges Mühlrad einer Mahl- und Sägemühle bei Schloss Homburg.
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| − | Bild:leer.jpg|Lampe an 230 V
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| − | Bild:Fahrrad-Hydraulikbremse.jpg|Eine hydraulische Fahrradbremse.
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| − | Bild:Hühner_am_Band_viel_und_wenig_Körner.jpg|Hier vergrößert sich die Energiemenge in den Hühnern entscheidend!
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| − | Bild:Hühner_am_Band_mit_Löwenzahn.jpg|Auch hier bekommt nicht jedes Huhn die gleiche Energiemenge. (Aus dem [http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/kpk/material.html Energiebuch] des Schroedel Verlags)
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| − | <br style="clear: both" />
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| − | [[Bild:Wasserglas.jpg|thumb|Das Glas ist gefüllt mit 0,2l Wasser, doch wieviel Energie steckt in ihm?]] | + | |
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| − | ===Energiemenge eines Wassergefüllten Glases===
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| − | *Es gibt verschiedene Energieträger (Energieformen):
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| − | **warme Gegenstände: Entropie (thermische Energie)
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| − | **zusammengedrückte oder auseinandergezogene Gegenstände: Druckluft, mechanische Feder (Spannenergie)
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| − | **hochgehobene Gegenstände: Schwerefeld (Lageenergie)
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| − | **sich bewegende Gegenstände: Impuls (Bewegungsenergie)
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| − | *Bei einigen Energieträgern ist die enthaltene Energiemenge vom Bezugssystem abhängig:
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| − | ** Schwerefeld (Lageenergie)
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| − | **Impuls (Bewegungsenergie)
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| − | <br style="clear: both" />
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| − | ==Systemisches Denken==
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| − | ===Beschreibung eines Zustandes===
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| − | Ein Gegenstand (oder Raumgebiet) wird einerseits durch die Angabe der enthaltenen Mengen von bestimmten Größen beschrieben.
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| − | Weiterhin kann man an jeder Stelle des Gegenstands bestimmte Eigenschaften durch die Messung von ortsgebundenen Größen beschreiben.
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| − | Mit Ausnahme der Energie kann jeder extensiven, mengenartigen Größe ist eine punktuelle, intensive Größe zugeordnet werden.
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| − | [[Bild:Raumgebietokoerper.JPG|thumb|left]]
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| − | |'''''Mengenartige (extensive) Größen'''''
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| − | |'''''haben zugehörige Eigenschaften (intensive Größen), welche man Potential nennt.'''''
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| − | |'''E: Energiemenge <math>[E]=\mathrm{J \quad(Joule)}</math>
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| − | |'''S: Entropiemenge <math>[S] = \mathrm{Ct \quad (Carnot)}</math>
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| − | |'''ν: absolute Temperatur <math>[T] = \mathrm{K \quad (Kelvin) = \frac{J}{Ct}}</math>
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| − | |'''V: Volumen <math>[V] = \mathrm{m^3}</math>
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| − | |'''p: Druck <math>[p] = \mathrm{Pa \quad (Pascal) = \frac{J}{m^3} = 10^{-5}bar}</math>
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| − | |'''m: Masse <math>[m] = \mathrm{kg}</math>
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| − | |'''gh: Schwerepotential <math>[gh] = \mathrm{m^2/{s^2} = \frac{J}{kg}}</math>
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| − | |'''p: Impuls <math>[p] = \mathrm{Hy \quad (Huygens) = kg \frac{m}{s}} </math>
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| − | |'''v: Geschwindigkeit <math>[v] = \mathrm{m/s} = \frac{J}{Hy}</math>'''
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| − | |'''Q: el. Ladung <math>[Q] = \mathrm{C \quad (Coulomb)}</math>
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| − | |'''φel: el. Potential <math>[\varphi_{el}] = \mathrm{V \quad (Volt) = \frac{J}{C}}</math>
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| − | |'''n: Stoffmenge <math>[n] = \mathrm{mol}</math>
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| − | |'''μ: chem. Potential (freie molare Standardenthalpie) <math>[\mu] = \mathrm{J/{mol} }</math>'''
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| − | ===Systemveränderungen===
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| − | [[Datei:Hühner_am_Band_viel_und_wenig_Körner.jpg|thumb|Hier vergrößert sich die Energiemenge in den Hühnern entscheidend! .]]
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| − | [[Datei:Hühner_am_Band_mit_Löwenzahn.jpg|thumb|Auch hier bekommt nicht jedes Huhn die gleiche Energiemenge. (Aus dem [http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/kpk/material.html Energiebuch] des Schroedel Verlags)]]
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| − | *''Verändert sich die Energiemenge, so verändert sich auch immer noch eine andere mengenartige Größe, der sogenannte Energieträger!''
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| − | *Der Energiestrom ist proportional zum Trägerstrom. Das Potential ist gerade die Proportionalitätskonstante.
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| − | [[Bild:Raumgebietokoerper2.JPG]]
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| − | *Eine andere mathematische Schreibweise für die Stromstärke ist die momentane zeitliche Änderungsrate, also die Ableitung nach der Zeit. Die zeitliche Ableitung einer Größe notiert man mit einem Punkt über dem Symbol. Zum Beispiel gilt: <math>I_S = \dot S</math>
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| − | [[Bild:Mathematische_Schreibweise.JPG|thumb|none|Entropie strömt aus einem Gebiet. Durch den Entropiestrom ändert sich die enthaltene Entropiemenge.]]
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| − | ==Praktikum: Der Energie- und Entropiefluß eines Mini-Kraftwerks==
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| − | ===Aufbau===
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| − | Bild und Messauftrag
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| − | ===Interpretation===
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| − | Weg der Energie?
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| − | Weg der Wärme?
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| − | Unterscheidung von Energie/Entropie
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| − | *In der Regel strömt aber Stoff von einem Gebiet in ein Anderes. Sind die Potentiale unterschiedlich, gibt es einen Netto-Energiestrom von den beiden Systemen weg.
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| − | :Bsp.: Von dem warmen Wasser über das Thermoelement in das kalte Wasser fließt ein Entropiestrom, den man zunächst vereinfachend als konstant ansehen kann. Es kommt weniger Energie an, als wegfließt, weil die Temperatur und damit die Beladung des Entropiestromes abnimmt. Die Energie ist auf die elektrische Ladung umgeladen worden, welche dann wiederum in der Lampe auf das Licht und Entropie geladen wird.
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| − | :[[Bild:Energieströme.jpg]]
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| − | [[Bild:Thermoelement_Energiefluß_1.1.JPG|400px|P = Energetische Stromstärke/Energiestrom]]
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| − | ====Das Wasserbehältermodell====
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| − | [[Datei:Wasserbehältermodell_Turbine_Dynamo_Motor.jpg|thumb|284px|Das Wasserbehältermodell real]]
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| − | [[Bild:Wasserbehältermodell.jpg|thumb|284px|und als Zeichnung.]]
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| − | * Wassermenge und Stromstärke (Durchsatz)
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| − | * Wasserhöhe und Druck
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| − | * Widerstandskonzept:
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| − | **Druckunterschied als Antrieb
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| − | ** Stömungswiderstand
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| − | * Energietransportkonzept:
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| − | **Druck als Energiebeladungsmaß
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| − | **Druckunterschied als Potentialdifferenz
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| − | **Energiestromgleichung (Leistung) <math>P=\triangle p I_W \qquad \qquad \dot E = \triangle p \dot W </math>
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| − | Es gibt zwei Konzepte:
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| − | #Antrieb-Widerstand
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| − | #Energieträger & Potenzial
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| − | Das Wasserbehältermodell besteht aus zwei, mit unterschiedlich viel Wasser gefüllten, Zylindern.
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| − | Sobald man die Drehverschlüsse an beiden Seiten aufgedreht, strömt das Wasser aus dem höher mit Wasser gefüllten Bottich in den Zweiten.
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| − | Dieser Vorgang lässt sich mit Hilfe des Wasserrädchens beobachten und stoppt erst, nachdem die Wasserpegel beider Seiten sich auf ein gleiches Niveau begeben haben.
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| − | :'''a)''' Die Strömung entsteht durch den vonstatten gehenden Druckausgleich, der durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse in den Gefäßen verursacht wird. Die Druckdifferenz zwischen dem Zylinder mit dem höheren und dem niedrigeren Wasserpegel, ist der Antrieb. Ein Widerstand besteht durch die Reibung in der Wasserleitung und dem Wasserrädchen, dadurch fließt das Wasser nur langsam in den anderen Behälter.
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| − | :'''b)''' Das Wasser ist der sogenannte Energieträger, der auf der Seite mit dem höheren Wasserpegel, auf Grund des höheren Drucks mit mehr Energie beladen ist. Sobald eine Verbindung zwischen den beiden Behältern gegeben ist, versuchen die unterschiedlichen Energiepegel (Potenziale) sich auf beiden Seiten auszugleichen. Ein Teil der Druckenergie wird „auf dem Weg“ zur anderen Seite zu Wärme umgewandelt, da die Reibung die sogenannte Reibungsenergie freisetzt.
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| − | ==Berechnung der Energiemengen bei konstantem Beladungsmaß (Potential)==
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| − | ===Schokolade===
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| − | [[Datei:Schokolade_Halbfabrikat.jpg|thumb]]
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| − | Bei einer Tafel Schokolade steht auf der Packung: Brennwert pro 100g: 2570 kJ.
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| − | Das bedeutet, dass ihr chemisches Potential <math>\varphi_{ch}=25700 \frac{kJ}{kg} \approx 26 \frac{MJ}{kg}</math>beträgt.
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| − | Bei einer Masse von 200g ergibt sich:
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| − | <math>E= 0,2 kg \cdot 25700 \frac{kJ}{kg} = 5140 kJ \approx 5 MJ</math>
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| − | ===Atombombe===
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| − | [[Datei:OperationGrappleXmasIslandHbomb.jpg|thumb|Explosion einer englischen Wasserstoffbombe, 1957]]
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| − | Auch bei einer Atombombe ist das Beladungsmaß konstant, es gilt nämlich die berühmte Formel:
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| − | <math>E= m \, c^2</math>
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| − | Das heißt, die Masse der Atomkerne ist der Energieträger und wenn diese sich bei der Kettenreaktion verkleinert, so speichern die Kerne weniger Energie.
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| − | Der Faktor <math>c^2</math> gibt an, wie stark die Masse mit Energie beladen ist, nämlich mit <math>299792458^2 \frac{J}{kg} \approx 9 \cdot 10^{16} \frac{J}{kg} = 90000000 \frac{MJ}{kg}</math>. Das ist eine ganze Menge!
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| − | ===Benzin===
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| − | Zum Vergleich: Benzin hat ein chemisches Potential von ca. <math>40 \frac{MJ}{kg}</math>.
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| − | ==Energieübertragung bei Fließgleichgewicht==
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| − | ===Ein Wasserkraftwerk===
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| − | [[Datei:Hydroelectric_dam_german.png|thumb|Schematischer Aufbau eines Wasserenergiewerkes]]
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| − | Ein Wasserkraftwerk versorgt Haushalte und Industrie mit Strom. Es benutzt die Energie, die im aufgestauten Wasser enthalten ist, um den elektrischen Strom anzutreiben.
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| − | Genauer wird die Energie vom Wasser auf die bewegte Turbine und die Generatorwelle umgeladen. Danach wird im Generator die Energie von der Bewegung auf die Elektrizität umgeladen.
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| − | Während das Kraftwerk läuft, fließt ein konstanter Energiestrom vom Wasser bis in die elektrische Ladung.
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| − | Ebenso sind die Ströme und die Mengen der Energieträger zeitlich konstant: Die Wassermenge des Sees bleibt unverändert, denn es soll genausoviel Wasser nachfließen wie wegfließt. Der Wasserstrom durch die Turbine ist konstant. Der Impuls der Turbine ist auch konstant, denn es fließt genausoviel Impuls hinein, wie heraus. (Oder, anders ausgedrückt, die antreibende und die bremsende Kraft ist gleichgroß.) Ebenso ist der elektrische Strom durch den Generator konstant. Daher spricht man von einem ''Fließgleichgewicht''.
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| − | Bei jeder Umladung verändert sich das Beladungsmaß des Energieträgers:
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| − | Zunächst nimmt der Druck des Wassers stark ab, was anzeigt, dass das Wasser seine Energie abgibt. Diese Energie wird genutzt, um Impuls von der Erde auf das Turbinenrad zu übertragen. Die Geschwindigkeit des Impulses nimmt zu. Im Generator passieren zwei Dinge: Einerseits wird die Turbine gebremst, der Impuls kommt wieder auf ein niedriges Geschwindigkeitsniveau, und andererseits wird die elektrische Ladung von einem niedrigen Potential auf ein hohes angehoben. Wird nun vom Strom eine Lampe betrieben, so fällt das elektrische Potential hinter der Lampe wieder ab. Die Ladung hat ihre Energie wieder abgegeben.
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| − | (Bemerkung: In der Umgangssprache heißen die großen Energie"lieferanten", welche den Strom aus der Steckdose fließen lassen aus historischen Gründen "Kraftwerke", obwohl sie uns gar keine Kraft im physikalischen Sinne liefern.)
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| − | ==Praktikum: Bestimmung von Energie- und Entropiekapazität von Wasser und Wasserdampf==
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| − | ===Aufbau:===
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| − | [[Bild:Versuchsaufbau_Energie_Entropiekapazität.jpg|thumb|right|Der Versuchsaufbau]]
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| − | :'''Materialien:'''
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| − | :1. Behälter(Plastikeimer ca. 1 Liter, Styroporbecher ca. 1/2 Liter, etc.)
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| − | :2. 1 Tauchsieder (ca.230W/ca.1000W)
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| − | :3. Bestimmte Menge Wasser
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| − | :4. Stoppuhr
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| − | :5. Waage
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| − | :6. Leistungsmesser
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| − | :7. Thermometer
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| − | '''Zu messsen:'''
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| − | Das Ziel ist es, herauszufinden wieviel Entropie und Energie sich in Wasser und Wasserdampf befindet.
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| − | Dazu erhitzt man eine gewisse Menge Wasser mit einem Tauchsieder und läßt es dann eine Weile kochen. Durch Messung der Leistung des Tauchsieders bestimmt man die zugeführte Energiermenge.
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| − | Während des Erwärmens wird ständig die Temperatur und die verstrichene Zeit gemessen und danach auch die Menge des verdampften Wassers bestimmt.
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| − | *Erstellen Sie zunächst ein Diagramm des zeitlichen Temperaturverlaufs T(t). (T ist die absolute Temperatur in Kelvin.) Wie interpretieren Sie den Verlauf?
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| − | *Bestimmen Sie die die Wärmeenergiekapazität und die Verdampfungsenergie von Wasser. (In der Chemie spricht man von Verdampfungsenthalpie oder der latenten Wärme.)
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| − | *Können Sie auch angeben, wieviel Entropie man benötigt, um ein Kilogramm Wasser zu verdampfen?
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| − | *Wieviel Entropie benötigt man bei der Erwärmung des Wassers?
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| − | ==Links==
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| − | *[http://schulen.eduhi.at/riedgym/physik/10/waerme/entropie/start_entropie.htm Entropieerklärung (Gymnasium Ried)]
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| − | *[http://elearning.zhaw.ch/moodle/mod/book/print.php?id=48690 E-Learning ZHAW Kurs: Thermodynamik (maur) Buch: Theorie Wärme]
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| − | ===Geschichte des Energiebegriffs===
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| − | *[http://de.wikipedia.org/wiki/Energie#Geschichte des Begriffs Wikipedia: Geschichte des Energiebegriffs]
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| − | *[http://www.leifiphysik.de/web_ph08_g8/geschichte/01energiebegriff/energiebegriiff.htm LEIFI: Geschichte des Energiebegriffs]
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| − | *[http://www.udo-leuschner.de/energie/e00inhalt.htm Die Entdeckung der Energie] von Udo Leuschner, inhaltlich teilweise fragwürdig, vor allem der Teil über Wärme als Stoff, aber einige interessante Stichpunkte
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