Aufgaben zur Energie (Lösungen): Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 14. November 2022, 21:58 Uhr

Energie und Energieträger

1) Eine Batterie ist ein Energieträger. Denn in der Batterie steckt Energie, mit der man einen Motor antreiben kann.

• Nenne drei weitere Gegenstände, die auch Energieträger sind und sage, was man mit dieser Energie machen kann.

Heizöl ist ein Energieträger. Brennt es in einem Ofen, kann man die Wohnung erwärmen.

Licht ist ein Energieträger. Fällt es auf eine Solarzelle kann man den elektrischen Strom antreiben.

Wasser in einem Stausee ist ein Energieträger. Fließt es nach unten durch eine Turbine, kann man einen Generator drehen lassen.

Ein sich drehendes Rad ist eine Energieträger. Dreht das Rad einen Dynamo, kann man den elektrischen Strom antreiben.

Heisses Wasser/Wasserdampf ist ein Energieträger. Der heiße Dampf kann eine Dampfmaschine antreiben.

Zusammengedrückte Luft ist ein Energieträger. Damit kann man einen Presslufthammer betreiben.

2) Der Wind, also Luft, die sich schnell bewegt, ist auch ein Energieträger. Alle Gegenstände, die sich bewegen, enthalten Bewegungsenergie.

• Welche anderen Energieformen gibt es noch? Nenne jeweils ein Beispiel.

1. chemische Energie: Batterie, geladener Akku, Kohle, Gas, Öl, Holz, Brot, Kartoffeln, Schokolade, Äpfel,...
2. Wärmeenergie: heisser Tee, warme Luft (beim Ausatmen), warmes Wasser einer Wärmflasche, heiß geriebene Bremse,...
3. elektrische Energie: wird vom elektrischen Strom transportiert.
4. Lichtenergie: steckt im Licht einer Taschenlampe oder im Licht von der Sonne,...
5. Bewegungsenergie: fahrendes Rad, Auto, Wind, Wasser in einem Fluss, laufender Hund,...
6. Spannenergie: auseinandergezogener Expander, zusammengedrückte Luft einer Luftpumpe, zusammengedrückter Ball,...
7. Lageenergie: Mensch auf dem Fünf-Meter-Sprungturm, Wasser im Stausee, Schulranzen auf dem Tisch, Flugzeug oben am Himmel,

3)" Mit der Energie von einer Stunde Sonnenlicht auf einen Quadratmeter kann man eine Autobatterie aufladen."

• Bilde drei weitere Sätze in dieser Art.

1. Mit einem aufgepumpten Fahrradreifen kann man einen Schulranzen sechsmal auf einen ein Meter hohen Tisch heben. (Oder sechs Schulranzen auf einen ein Meter hohen Tisch heben oder einen Schulranzen auf einen 6m hohen Tisch heben.)
2. Mit der Energie von 90 Tafeln Schokolade oder von 6 Litern Benzin kann man den Akku eines E-Autos laden.
3. Mit der Energie einer Tafel Schokolade kann man fast 7 Liter Wasser zum Kochen bringen.
4. Mit der Energie eines Radfahrers kann man 1/100 l, also 10ml Wasser zum Kochen bringen.
5. Mit der Energie von einem Liter kochenden Wasser kann man 10 Radfahrer bis auf 30 km/h anschieben.

Energiewandler / Energieumlader

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  Dieses Bild veranschaulicht die Nahrungskette in einem See.
  Schlußendlich kommt die gesamte Energie von der Sonne. Bei einem Menschen, der sich vegetarisch ernährt, gibt es aber nur einen Zwischenschritt, nämlich die Plflanze, die direkt das Sonnenlicht nutzen kann:

Bei einem Menschen, der nur Fleisch isst, gibt es noch mindestens einen weiteren Umlader, nämlich das Tier, das gegessen wird. Eine Kuh ist ein reiner Pflanzenfresser, wenn man Raubtiere wie Thunfisch, oder Allesfresser wie das Schwein isst, so kommen noch weitere Energieumlader dazu. Das ist auch der Grund, warum man mit vegetarischer Ernährung das Ökosystem weniger belastet. (Planet Wissen)

Ganz Neugierige fragen jetzt woher die Sonne eigentlich ihre Energie bezieht. Sie bekommt sie aus den Wasserstoff-Atomen, die in der Sonne zu Heliumatomen "verschmelzen", das nennt man Kernfusion. Aber woher haben die Wasserstoff-Atome ihre Energie? Diese haben die Energie wohl schon bei der Geburt des Universums, beim Urknall, mitbekommen. Wo die Energie für den Urknall herkam, weiss niemand genau, dazu kann man vielleicht in der Bibel die Genesis lesen.

3) Diese Tabelle von Energieumladern ist vollständig ausgefüllt.

4) Energieumladerketten

Die Energieumladerketten sind durcheinandergeraten! Schneide die Einzelteile aus und bringe sie in die richtige Reihenfolge.

a) Ein "Flummi" wird vom Boden aufgehoben und losgelassen. Er fällt, hüpft wieder hoch, er fällt und hüpft wieder hoch, usw.

Beim Aufprall des Balls wird der Ball langsamer und verformt sich. Dann springt er wieder hoch (Video)

Am Anfang nutzt der Mensch die chemische Energie des Essens, um den Flummi anzuheben und ihm somit Lageenergie zu geben. Beim Runterfallen wird der Ball immer schneller: Die Lageenergie wird immer kleiner und die Bewegungsenergie nimmt zu.
Prallt der Flummi auf den Boden, so wird er zusammengedrückt und dabei abgebremst: Die Bewegungsenergie nimmt ab und steckt als Spannergie im Flummi.
Danach entspannt sich der Flummi wieder, drückt sich selbst vom Boden weg und "springt" hoch: Die Spannergie wird wieder Bewegungsenergie.
Der Flummi "fliegt" dann nach oben und wird immer langsamer: Die Bewegungsenergie wird wieder zu Lageenergie. Jetzt kann das Spiel von vorne beginnen...
Weil bei jedem Aufprall sich der Ball etwas erwärmt, geht jedes mal etwas Energie als Wärmeenergie in den Flummi, sodass er etwas weniger hoch springt.

b) Eine Kugel aus Knete wird hochgehoben und fallengelassen. Sie fällt auf den Boden und bleibt dort liegen. Danach hat die Kugel auf der Unterseite eine Delle.

Beim Aufprall der Knete auf dem Boden verformt sie sich und wird warm. Die Bewegungsenergie der Knete wird also genutzt um die Knete zu erwärmen.

c) Man spannt den Bogen und läßt die Sehne los. Der Pfeil fliegt davon und bleibt in der Zielscheibe stecken.

Beim Auftreffen des Pfeils auf der Scheibe entsteht durch die Reibung Wärme. Die Bewegungsenergie des Pfeils geht in die erwärmte Zielscheibe und die erwärmte Pfeilspitze.

d) Der "Grashüpfer" wird auf den Tisch gedrückt, der Saugnapf hält ihn fest. Kurze Zeit später springt er hoch, fällt wieder runter und bleibt auf dem Tisch liegen.

Energieverluste und Wirkungsgrad

1) "Ein Automotor hat einen Wirkungsgrad von ca. [math]1/3 \approx 33 \%[/math]."

Das heißt, dass er nur 1/3 der chemischen Energie des Benzins auf die Bewegung des Motors umlädt. Der größte Teil, nämlich 2/3 wird nicht genutzt.

3) Werden viele Energieumlader zu einer Kette geschaltet, so berechnet sich der Gesamt-Wirkungsgrad, indem man alle einzelnen Wirkungsgrade multipliziert.(Tabelle von Wirkungsgraden)
Fährt ein Mensch Fahrrad, der vorher ein Brot gegessen hat, so soll die Energie mit der Bewegung abgegeben werden:

[math] 35\% \cdot 30\% = 0{,}35 \cdot 0{,}3 = 0{,}105 =10{,}5 \%[/math]

Der Wirkungsgrad beträgt insgesamt ca. 10%. Das heißt ca. 10% der Energie aus dem Sonnenlicht ist in der Bewegung angekommen.

a) Berechne den Gesamt-Wirkungsgrad von:

1. einer Glühlampe, die von einem Kohlekraftwerk betrieben wird.

Das Kraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 35%, die Glühlampe von nur 4%:

[math]35\% \cdot 4\% = 0{,}35 \cdot 0{,}04 = 0{,}014 = 1{,}4\%[/math]

Es kommen also nur 1,4% der Kohleenergie mit dem Licht aus der Glühlampe wieder raus!

2. der Energieumladerkette der Dampfmaschine: Dampfmotor > Generator > Glühlampe.

Der Dampfmotor hat einen Wirkungsgrad von 5%, der Generator von 85% und die Glühlampe von 4%:

[math]5\% \cdot 85\% \cdot 4\%= 0{,}05 \cdot 0{,}85 \cdot 0{,}04 = 0{,}0017 = 0{,}17\%[/math]

Es kommen nur 0,17% aus der Energie des Gases mit dem Licht der Lampe wieder raus!

b) Vergleiche den Wirkungsgrad von:

1. einem Benzinauto mit einem Elektroauto, das den Akku mit einem Kohlekraftwerk lädt.

Das Kraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 35% und der Elektromotor des E-Autos von 95%:

[math]35\% \cdot 95\% = 0{,}35 \cdot 0{,}95 = 0{,}3325 \approx 33\%[/math]

Das mit Benzin angetriebene Auto hat einen vergleichbaren Wirkungsgrad von 35%. (Allerdings im Stadtverkehr wesentlich weniger!)
Ein Elektroauto macht also vor allem Sinn, wenn man den Akku mit erneuerbaren Energien lädt.

2. einer Gasheizung mit einer Elektroheizung, die von einem Kohlekraftwerk angetrieben wird.

Das Kohlekraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 35% und die Elektroheizung einen von 100%:

[math]35\% \cdot 100\% = 0{,}35 \cdot 1 = 0{,}35 = 35\%[/math]

Die Elektroheizung nutzt also nur 35% der Kohleenergie. Im Vergleich dazu nutzt eine Gasheizung 85% der eingesetzten Energie!

Energie im Haushalt

1) Energie sparen im Haushalt

In einem Haushalt braucht man Energie für die vielen elektrischen Geräte, wie Waschmaschine, Lampen, Computer,... und für die Heizung, das warme Wasser und für das Auto.

• Hier findet man ein Diagramm, aus dem hervorgeht, wofür ein durchschnittlicher Haushalt viel Energie benötigt und wofür weniger: Die Hälfte zum Heizen der Wohnung, ein Drittel für das Autofahren und der Rest für das warme Wasser und die Elektrogeräte zu gleichen Teilen.

2) Energiemengen und Kosten berechnen

Peters Schreibtischlampe hat eine Leistung von 20 Watt. Er schaltet sie am Tag ca. 2 Stunden an. Für eine Kilowattstunde Energie verlangt sein Stromanbieter 25 Cent.

• Wieviel Energie benötigt man um die Lampe eine Sekunde, eine Minute oder eine Stunde anzuschalten?

Die Lampe benötigt in jeder Sekunde 20J Energie:

Zeit  | Energie
   1s |   20J
  60s | 1200J
3600s | 7200J

• Was kostet Peter die Schreibtischlampe pro Monat und pro Jahr?

Eine Wattstunde Energie entspricht 3600 Joule Energie. Ein Gerät mit einem Watt Leistung benötigt in einer Stunde genau eine Wattstunde Energie, weil eine Stunde 3600 Sekunden hat. Eine Kilowattstunde sind tausend Wattstunden:

Zeit | Energie 
  2h |   40Wh 
 60h | 1200Wh
720h | 14400Wh

Peter braucht im Monat 1,2kWh Energie und im Jahr 14,4kWh Energie für die Lampe. Das kostet ihn im Monat 30Cent und im Jahr 3,60Euro.

3) Verschiedene Lichtquellen

Herbert mag das Licht von Energiesparlampen nicht und beleuchtet sein Wohnzimmer deshalb mit einer Glühlampe. Andrea hat sich dagegen für die gesamte Wohnung Energiesparlampen zugelegt, während Maria sich für LED-Lampen entschieden hat.

• Vergleiche die verschiedenen Lampentypen bezüglich Energiebedarf, Wärmeentwicklung und Lebensdauer.

Eine Glühlampe braucht für die gleiche Helligkeit etwa fünfmal soviel Energie wie eine Energiesparlampe oder eine LED-Lampe.

Eine Glühlampe wird sehr heiss, eine Energiesparlampe und die LED-Lampe werden auch ziemlich warm.

Eine Glühlampe brennt ohne Pause ca. einen Monat, eine Energiesparlampe ein Jahr und eine LED-Lampe 5 Jahre!

• Ein Glühwürmchen benutzt einen großen Anteil der Energie, um Licht zu erzeugen, weniger als 10% werden für die Erwärmung genutzt.

Bei Glühlampen werden nur 5% der Energie auf das Licht geladen, der Rest auf Wärme!

Bei Energiesparlampen und LEDs immerhin schon 20%, also ein Fünftel. (Die Entwicklung der LEDs geht weiter und so wurden auch schon Lampen mit einem Wirkungsgrad von 30% gebaut.)

Aber nichts ist so effektiv wie ein Leuchtkäfer!