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| | + | ==Aufgaben zu Energieverlust und Wirkungsgrad== |
| | + | '''1)''' "Ein Automotor hat einen Wirkungsgrad von ca. <math>1/3 \approx 33 \%</math>." |
| | + | :Was ist damit gemeint? |
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| | + | '''2)''' In diesem Energieflussdiagramm ist der Weg der Energie bei einem Kohlekraftwerk dargestellt. |
| | + | :'''a)''' Wie geht die meiste Energie der Kohle "verloren"? |
| | + | :'''b)''' Welchen Wirkungsgrad hat das Kohlekraftwerk ohne Energietransport zum Verbraucher und mit Transport zum Verbraucher? |
| | + | :'''c)''' Bei einem Kraftwerk mit "Kraft-Wärme-Kopplung" werden die umliegenden Gebäude durch die Wärme des Kraftwerks geheizt und mit warmem Wasser versorgt. Durch große Rohre wird diese "Fernwärme" bis in die Häuser geleitet. Kleinere Anlagen werden auch "Blockheizkraftwerk" genannt. |
| | + | :Erkläre was der Vorteil der "Kraft-Wärme-Kopplung" gegenüber einem normalen Kraftwerk ist. Warum macht es einen Unterschied, ob es Sommer oder Winter ist? |
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| | + | [[Datei:Energieflussbild Kohlekraftwerk.png|369px]] |
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| − | __NOTOC__
| + | '''3)''' Werden viele Energieumlader zu einer Kette geschaltet, so berechnet sich der Gesamt-Wirkungsgrad, indem man alle einzelnen Wirkungsgrade multipliziert. ([[Energieverluste_und_der_Wirkungsgrad_von_Energiewandlern#Wirkungsgrad|Tabelle von Wirkungsgraden]]) |
| − | ==Aufgaben zum elektrischen Energietransport==
| + | <br/>Fährt zum Beispiel ein Mensch Fahrrad, der vorher ein Brot gegessen hat, so wird die Energie zuerst von der Weizenpflanze von Licht auf das Weizenkorn umgeladen. Der Mensch lädt die Energie des Korns auf die Bewegung um: |
| − | ====1) Energiehunger====
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| − | Alle Lebewesen und alle Maschinen brauchen Energie.
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| − | Ein Mensch braucht ohne jede körperliche Anstrengung etwa 7 MegaJoule Energie am Tag. Das nennt man auch den "Grundumsatz". Bei leichter Anstrengung etwa 10-13 MegaJoule pro Tag. Die genaue Energiemenge hängt vom Körpergewicht, vom Geschlecht und weiteren Faktoren ab.
| + | [[Datei:Energieumladerkette_Vegetarier.png|514px]] |
| | + | :<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. |
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| − | Körperlich schwer arbeitende Menschen brauchen bis zu 20 MegaJoule pro Tag und Leistungssportler an einzelnen Tagen bis zu 50 MegaJoule Energie pro Tag!
| + | '''a)''' Berechne den Gesamt-Wirkungsgrad von: |
| − | *Vergleiche den Energiebedarf des Menschen mit diesen Maschinen:
| + | #einer Glühlampe, die von einem Kohlekraftwerk betrieben wird. |
| − | #Laptop: 30 Watt | + | #der Energieumladerkette der Dampfmaschine: Dampfmotor > Generator > Glühlampe. |
| − | #Desktop: 120 Watt
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| − | #Auto: 83 KiloWatt<ref>Das entspricht einem Verbrauch von 8 Litern Benzin pro 100 km bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h. Damit ist nicht die Leistung gemeint, die zum Antrieb des Autos genutzt wird, sondern die zum Betrieb des Motors benötigt wird. Von der Energie des Benzins werden nur ca. 25% zum Antrieb genutzt, der Rest geht vor allem mit der Abwärme verloren.</ref>
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| − | ====2) Die Stromrechnung====
| + | '''b)''' Vergleiche den Wirkungsgrad von: |
| − | [[Datei:Stromrechnung_Ausschnitt.jpg|thumb|Ausschnitt einer Stromrechnung.]]
| + | #einem Benzinauto mit einem Elektroauto, das den Akku mit einem Kohlekraftwerk lädt. |
| − | Das Elektrizitätswerk liefert Energie mit dem elektrischen Strom nach Hause. Dafür läßt sich der Betreiber natürlich bezahlen.
| + | #einer Gasheizung mit einer Elektroheizung, die von einem Kohlekraftwerk angetrieben wird. |
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| − | Eine Lampe hat eine Leistung von 11 Watt.
| + | ==Energie im Haushalt== |
| − | :'''a)''' Wieviel Energie benötigt sie in der Sekunde, in der Minute und in einer Stunde?
| + | '''1) Energie sparen im Haushalt''' |
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| − | In der Stromrechnung wird die Energiemenge nicht in Joule, sondern in "KiloWattStunden" (kWh) angegeben. Mit einer KiloWattStunde Energie kann man ein elektrisches Gerät mit einer Leistung von 1000 Watt eine Stunde lang betreiben. | + | 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. |
| − | :'''b)''' Wieviel Joule entspricht einer KiloWattStunde?
| + | |
| − | Die für ein Gerät benötigte Energie in KiloWattStunden kann man ganz einfach ausrechnen. Wenn man zum Beispiel ein Staubsauger mit einer Leistung von 1200 Watt 30 Minuten lang betreiben will, rechnet man:
| + | *Zeichne ein Diagramm, aus dem hervorgeht, wofür ein durchschnittlicher Haushalt viel Energie benötigt und wofür weniger. (Infos im Artikel: [https://www.ndr.de/ratgeber/klimawandel/CO2-Ausstoss-in-Deutschland-Sektoren,kohlendioxid146.html Energiebedarf in Deutschland]) |
| − | :<math>\text{Energie} = \text{Leistung (in kW)} \cdot \text{Zeit (in h)}</math> | + | |
| − | :<math>\text{Energie} = 1{,}2\,\rm kW \cdot 0{,}5\,\rm h = 0{,}6\,\rm kWh</math>
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| − | In dieser Tabelle hat Angela aufgeschrieben, welche Geräte sie am Tag wie lange benutzt. Ihr Elektrizitätswerk berechnet ihr 27 Cent pro KiloWattStunde. Berechne für sie ihren jährlichen Energiebedarf und die Kosten.
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| − | {|class="wikitable" style="text-align: center"
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| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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| − | Gerät
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| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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| − | Leistung
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| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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| − | Zeitdauer
| + | |
| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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| − | Energiemenge (in kWh)
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| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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| − | Kosten (in €)
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| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Computer
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 80 W
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 3 h
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Radio
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 10 W
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 2 h
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Fön
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 1500 W
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 15 min
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Elektroherd
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 2500 W
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 1 h
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Waschmaschine
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 1000 W
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 1 h
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Einige Lampen
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 40 W
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 3 h
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Fernseher
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 80 W
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 2 h
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |}
| + | |
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| − | ====3) Lampen im Auto und zu Hause====
| + | |
| − | Neuere LED-Lampen haben zu Hause und in Automobilen Einzug gehalten. Ein 12-Watt-LED-Autoscheinwerfer ist genauso hell wie eine 12-Watt-LED-Lampe zu Hause. Die Elektrik im Auto wird mit einer Spannung von 12 Volt angetrieben, zu Hause beträgt die Netzspannung 230 Volt.
| + | |
| − | :Vergleiche die Stromstärken der beiden Lampen.
| + | |
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| − | ====4) Sicherungen====
| + | '''2) Energiemengen und Kosten berechnen''' |
| − | [[Datei:Sicherungskasten.jpg|thumb|120px|Sicherungskasten einer Wohnung]]
| + | |
| − | In Wohnungen ist jeder Raum über eine Sicherung an das Stromnetz angeschlossen. Die maximale Stromstärke beträgt häufig 16 Ampère.
| + | |
| − | :'''a)''' Welche dieser Geräte kann man ''gleichzeitig'' in der Küche betreiben?
| + | |
| − | :# Wasserkocher 2000W
| + | |
| − | :# Staubsauger 2400W
| + | |
| − | :# Radio 20W
| + | |
| − | :# Lampe 10W
| + | |
| − | :# Mixer 1600W
| + | |
| − | [[Datei:Sicherungskasten_Kfz.jpg|thumb|120px||Sicherungskasten eines Autos. Die Sicherungen sind mit der maximalen Stromstärke in Ampère beschriftet.]]
| + | |
| − | Auch in Autos sind Sicherungen verbaut, um die Kabel vor Überhitzung zu schützen. Anders als in der Wohnung sind dies einfache Schmelzsicherungen, die bei zu großer Stromstärke einfach durchschmelzen und dann ersetzt werden müssen.
| + | |
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| − | Beim Starten wird der Verbrennungsmotor von einem Elektromotor, dem "Anlasser", gedreht. Der Anlasser hat eine Leistung zwischen einem und zwei KiloWatt und bekommt seine Energie aus der Auto-Batterie, die eine Spannung von 12 Volt hat.
| + | 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. |
| − | :'''b)''' Der Anlasser ist ohne Sicherung direkt an die Batterie angeschlossen. Warum wohl?
| + | |
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| − | ====5) Batterien und Akkus als Energiespeicher====
| + | *Wieviel Energie benötigt man um die Lampe eine Sekunde, eine Minute oder eine Stunde anzuschalten? |
| − | [[Datei:Auto-Starterbatterie.jpg|thumb|Ein Bleiakkumulator für's Auto ("Auto-Batterie")]]
| + | *Was kostet Peter die Schreibtischlampe pro Monat und pro Jahr? |
| − | [[Datei:Auto-Starterbatterie eingebaut.jpg|thumb|120px|So wird sie eingebaut.]]
| + | |
| − | Aus Versehen läßt Peter das Licht über Nacht an seinem geparkten Auto an.
| + | |
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| − | :'''a)''' Warum kann das zu einem Problem werden?
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| − | An Peters Auto sind zwei Frontscheinwerfer mit je 12 Watt und zwei Rücklichter mit je 3 Watt.
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| − | :'''b)''' Wieviel Strom fließt durch die Lampen und wieviel durch die Batterie?
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| − | Die Frage ist nun, ob am nächsten Morgen die Batterie "leer" ist, also keine Energie mehr enthält.
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| − | Auf Batterien ist angegeben "wie groß" sie sind. Bei Peters Autobatterie findet sich zum Beispiel die Aufschrift 12V/44Ah. Das bedeutet, dass die Batterie 44 Stunden lang einen Strom der Stärke 1 Ampère antreiben kann. Oder 22 Stunden lang einen Strom der Stärke 2 Ampère.
| + | '''3) Verschiedene Lichtquellen''' |
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| − | :'''c)''' Wie lange kann man mit dieser Batterie eine 12-Watt-Lampe betreiben?
| + | 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. |
| − | :'''d)''' Wieviel Coulomb Ladung hat die Batterie dabei verschoben?
| + | |
| − | :'''e)''' Wieviel Joule Energie hat die Batterie dabei der Lampe geliefert?
| + | |
| − | :'''f)''' Wie lange kann die Batterie also die beiden Scheinwerfer und die Rückleuchten gleichzeitig betreiben?
| + | |
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| − | Auf Batterien und Akkus findet man die Angabe der sogennannten "Kapazität". Diese gibt an, wieviel Ladung die Batterie verschieben kann:
| + | *Vergleiche die verschiedenen Lampentypen bezüglich Energiebedarf, Wärmeentwicklung und Lebensdauer. |
| − | #Smartphone: 3,7V / 1300mAh
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| − | #Laptop: 10,95V / 7100mAh
| + | |
| − | #Bohrschrauber: 12V / 1200mAh
| + | |
| − | #AA-Mignon: 1,2V / 2000mAh
| + | |
| − | #älteres Motorrad: 6V / 4Ah
| + | |
| − | :'''g)''' Berechne, wieviel Ladung die Batterien anschieben können und wieviel Energie dabei transportiert wird.
| + | |
| − | Ein Liter Benzin enthält ca. 30 MegaJoule Energie und in den Tank eines Autos passen ca. 50 Liter.
| + | |
| − | :'''h)''' Wieviele Laptop-Akkus können den vollen Benzintank ersetzen?
| + | |
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| − | ====6) Teure und billige Energie====
| + | Ein Glühwürmchen kann auch Licht produzieren und zwar mit einem Wirkungsgrad von über 90% |
| − | Energie kann man mit ganz verschiedenen Energieträgern kaufen. Die Heizung zum Beispiel kann man mit Heizöl, Gas, Holz-Pellets, elektrisch oder mit Fernwärme betreiben. Das Auto bekommt die Energie mit Benzin und eine Taschenlampe mit einer Batterie. Mit welchem Energieträger ist die Energie denn am billigsten?
| + | *Was ist damit gemeint? |
| − | {|class="wikitable" style="text-align: center"
| + | |
| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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| − | Energieträger
| + | |
| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Trägermenge
| + | |
| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Kosten pro Träger
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| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Energiebeladung<br>(Heizwert)
| + | |
| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Kosten pro Energie<br>(in Cent/MJ)
| + | |
| − | !width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Kosten pro Energie<br>(in Cent/kWh)
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Benzin
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 1 Liter
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 1,30 €
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 30 MJ/l
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Heizöl
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 1 Liter
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 0,50 €
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 35 MJ/l
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | Erdgas<br>(Haushalt)
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 1 <math>m^3</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 0,66 €
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 40 <math>\rm MJ/m^3</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | |-
| + | |
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| + | |
| − | Holz-Pellets
| + | |
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| + | |
| − | 1000 kg
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 230 €
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 14 MJ/kg
| + | |
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| + | |
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| + | |
| − | |-
| + | |
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| + | |
| − | "Strom"
| + | |
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| + | |
| − | 100.000 Coulomb
| + | |
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| + | |
| − | 1,73 €
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
| + | |
| − | 230 J/C
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| + | |
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| + | |
| − | |-
| + | |
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| + | |
| − | Batterie
| + | |
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| + | |
| − | AA-Mignon 2300mAh
| + | |
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| + | |
| − | 0,50 €
| + | |
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| + | |
| − | 1,5 V
| + | |
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| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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| − | |}
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| | ==Fußnoten== | | ==Fußnoten== |
| | <references /> | | <references /> |
Der Wirkungsgrad beträgt insgesamt ca. 10%. Das heißt ca. 10% der Energie aus dem Sonnenlicht ist in der Bewegung angekommen.
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.
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.
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.
Ein Glühwürmchen kann auch Licht produzieren und zwar mit einem Wirkungsgrad von über 90%
