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| − | ([[Inhalt_Kursstufe|'''Kursstufe''']] > [[Inhalt_Kursstufe#Theoretisch-deduktives_Vorgehen_am_Beispiel_der_Energie|''' Theoretisch-deduktives Vorgehen am Beispiel der Energie''']])
| + | #WEITERLEITUNG [[Das Konzept der Energie (Energieträger und Potential)]] |
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| − | ==Einführung und Beispiele==
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| − | <gallery widths=150px heights=130px perrow=4 >
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| − | Bild:Weizenfeld.jpg|Diese Weizenpflanzen bekommen ihre Energie kostenlos von der Sonne geliefert.
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| − | Bild:Mischbrot.jpg|Womit Menschen ihre Energie beziehen können. (Video: [http://www.wdr.de/tv/kopfball/sendungsbeitraege/2013/0915/broetchen.jsp Wieviel Energie steckt in einem Brötchen?]
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| − | Bild:Radfahrer.png|Um in Bewegung zu bleiben brauchen die Muskeln Traubenzucker als Treibstoff.
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| − | Bild:Fahrrad-Hydraulikbremse.jpg|Beim Bremsen wird das Fahrrad langsamer und die Felge wird heiß.
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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:Auto_fahrend.jpg|In einem fahrenden Auto steckt viel Energie.
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| − | Bild:Scheibenbremse_Auto.jpg|Mit der Bremse kann das Auto die Energie wieder loswerden.
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| − | Bild:Stoughton_Tornado.jpg|In einem Tornado steckct viel zerstörerische Energie.
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| − | Bild:Windrad.jpg|Aber bewegte Luft kann man auch sinnvoll nutzen.
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| − | Bild:Steckdose.jpg|Bei uns kommt der Strom aus der Steckdose.
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| − | Bild:Wasserkocher_Tee.jpg|Damit ich mir meinen Tee kochen kann.
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| − | Bild:Schluchsee_Staumauer_7843.jpg|Das Wasser des Schluchsees...
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| − | Bild:Schluchseewerk_Saeckingen_Kaverne.jpg|... kann diese Generatoren antreiben.
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| − | Bild:Schluchsee_Staumauer_Tafel_7849_retouched.jpg|Eine Infotafel
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| − | Bild:Oberschlächtiges_Mühlrad_Schloss_Homburg.jpg|Mit diesem oberschlächtigen Mühlrad hat man eine Mühle betrieben.
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| − | Bild:leer.jpg|Peltierelement In warmen Wasser steckt auch Energie, die einen Motor antreiben kann.
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| − | Bild:Kolbenkompressor.jpg|Druckluft wird auch für große Kraftwerke als Speicher erwogen.
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| − | Bild:Kerze.jpg|Im Wachs der Kerze und in der Flamme steckt Energie.
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| − | Bild:Akku_AA_LR6_Mignon.jpg|In den Akkus steckt Energie, mit der man eine Lampe betreiben kann.
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| − | Bild:Leuchtende_Taschenlampe.jpg|Im abgestrahlten Licht steckt auch Energie.
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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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| − | </gallery>
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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 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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| − | {|class="wikitable"
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| − | ! style="border-style: solid; border-width: 5px"; colspan="2" |Mengenartige (extensive) Größen
| + | |
| − | !valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 5px"; colspan="2" |haben zugehörige Eigenschaften (intensive Größen), welche man Potential nennt.
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| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|Energiemenge <math>E</math>
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| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{J }</math> (Joule)
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| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px "|
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px "|
| + | |
| − | |-
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| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|el. Ladung <math>Q</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{C }</math>(Coulomb)
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|el. Potential <math>\varphi_{el}</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{V} </math>(Volt)<math> = \rm \frac{J}{C}}</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|Impuls <math>p</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{Hy } </math>(Huygens)<math>= \rm kg \frac{m}{s}</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|Geschwindigkeit <math>v</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{m/s = \frac{J}{Hy} }</math>'''
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|Entropiemenge <math>S</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{Ct }</math>(Carnot)<math>= \rm \frac{J}{K}</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|absolute Temperatur <math>T</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{K }</math>(Kelvin)<math>= \rm \frac{J}{Ct}</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|Masse <math>m</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{kg}</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|Schwerepotential <math>gh</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{m^2/{s^2} = \frac{J}{kg}}</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|Stoffmenge <math>n</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{mol}</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|chem. Potential <math>\mu</math> <br/>(freie molare Standardenthalpie)
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{J/{mol} }</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|Volumen <math>V</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{m^3}</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:right "|Druck <math>p</math>
| + | |
| − | |style="border-style: solid; border-width: 5px; text-align:left "|in <math>\mathrm{Pa} </math> (Pascal)<math> \mathrm{= 10^{-5}bar = \frac{J}{m^3} }</math>
| + | |
| − | |}
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| − | | + | |
| − | ===Systemveränderungen===
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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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| − | {|
| + | |
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| − | [[Bild: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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| − | | + | |
| − | [[Bild:Raumgebietokoerper2.JPG|thumb]]
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| − | [[Bild:Mathematische_Schreibweise.JPG|thumb|Entropie strömt aus einem Gebiet. Durch den Entropiestrom ändert sich die enthaltene Entropiemenge.]]
| + | |
| − | | + | |
| − | *Die Stärke des Energiestroms <math>I_E</math> (oder auch Leistung (<math>P</math>)) ist proportional zur Stärke des Trägerstroms <math>I_{Tr\ddot ager}</math>. Das Potential <math>\varphi</math> ist gerade die Proportionalitätskonstante und gibt an, wie stark der Träger mit Energie beladen ist:
| + | |
| − | ::<math>I_E = P = \varphi \, I_{Tr\ddot ager}</math>
| + | |
| − | :Für kleine Zeitspannen oder konstantes Potential kann man das auch so schreiben:
| + | |
| − | ::<math>\frac{Energie}{Zeit} = Potential \cdot \frac{Tr\ddot agermenge}{Zeit} = \frac{Energie}{Tr\ddot agermenge} \, \frac{Energie}{Zeit}</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | *Die Stärke des Energiestroms kann man auch als zeitliche Änderungsrate der Energie interpretieren. Denn außerhalb des Gebietes nimmt die Energiemenge genau so zu, wie sie aus dem Gebiet herausfließt. Die zeitliche Ableitung einer Größe notiert man mit einem Punkt über dem Symbol. Zum Beispiel gilt für die Wärmeenergie:
| + | |
| − | ::<math>\dot E = P = T \, \dot S</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | *Eine weitere Schreibweise ist die Angabe der absoluten Änderungen. Schreibt man die Änderungsrate als Quotient für eine "kleinen" Zeitspanne <math>\triangle t</math>, so kann man mit der Zeitspanne multiplizieren. Für eine kleine Zeitspanne oder ein konstantes Potential gilt also:
| + | |
| − | ::<math>Energie = Potential \cdot Tr\ddot agermenge</math>
| + | |
| − | :Und speziell für die Wärmeenergie:
| + | |
| − | ::<math>\dot E = \frac{\triangle E}{\triangle t} = T \, \frac{\triangle S}{\triangle t} \quad \Rightarrow \quad \triangle E = T \, \triangle S \qquad .</math> (Gilt nur für annähernd konstante Temperatur T!)
| + | |
| − | | + | |
| − | | + | |
| − | | + | |
| − | *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.
| + | |
| − | :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.
| + | |
| − | :[[Bild:Energieströme.jpg]]
| + | |
| − | [[Bild:Thermoelement_Energiefluß_1.1.JPG|400px|P = Energetische Stromstärke/Energiestrom]]
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| − | | + | |
| − | ===Das Wasserbehältermodell===
| + | |
| − | [[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
| + | |
| − | * Widerstandskonzept:
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| − | **Druckunterschied als Antrieb
| + | |
| − | ** Stömungswiderstand
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| − | * Energietransportkonzept:
| + | |
| − | **Druck als Energiebeladungsmaß
| + | |
| − | **Druckunterschied als Potentialdifferenz
| + | |
| − | **Energiestromgleichung (Leistung) <math>P=\triangle p I_W \qquad \qquad \dot E = \triangle p \dot W </math>
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| − | | + | |
| − | | + | |
| − | Das Wasserbehältermodell besteht aus zwei, mit unterschiedlich viel Wasser gefüllten, Zylindern.
| + | |
| − | Sobald man die Drehverschlüsse an beiden Seiten aufgedreht, strömt das Wasser aus dem höher mit Wasser gefüllten Bottich in den Zweiten.
| + | |
| − | 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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| − | | + | |
| − | ====Antrieb-Widerstand-Konzept====
| + | |
| − | 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.
| + | |
| − | | + | |
| − | ====Energieträger-Potential-Konzept====
| + | |
| − | Das Wasser ist der 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 (Potentiale) sich auf beiden Seiten auszugleichen. Ein Teil der Druckenergie wird „auf dem Weg“ zur anderen Seite auf einen anderen Energieträger umgeladen. Es entsteht durch die Reibung nämlich Entropie.
| + | |
| − | | + | |
| − | ==Zusammenfassung: Energie, ihre Träger und das Potential==
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| − | [[Datei:Euroscheine.jpg|thumb|Money makes the world go round.]]
| + | |
| − | | + | |
| − | *Energie ist das Geld der Physik. Man kann damit ausdrücken, wieviel etwas wert ist.
| + | |
| − | :Es ist alles andere als selbstverständlich, daß wirklich sämtliche Situationen vergleichbar und in einer Einheit auch bewertbar sind.
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| − | | + | |
| − | *Energie kann in verschiedenen Trägern gespeichert werden: Bewegung, Wärme, Benzin, Licht, Elektrizität,...
| + | |
| − | :Allen Energieträgern entspricht auch eine physikalische, mengenartige Größe. Den Mengencharakter erkennt man gut bei einer Verdoppelung des Gegenstands. So haben zwei identische Pferde die doppelte Masse, Impuls, Volumen, Entropie, Ladung, Stoffmenge.
| + | |
| − | [[Datei:Muybridge_race_horse_animated_150px.gif|right|framed|Ein energiegeladenes Pferd. (Von Eadweard Muybridge)]]
| + | |
| − | [[Datei:Preisschild.jpg|thumb|Der energetische "Preis" von Karotten beträgt ca. 1090 kJ pro kg.]]
| + | |
| − | [[Datei:Kolbenkompressor.jpg|thumb|Der Energiegehalt von einem Liter Pressluft hängt vom Druck ab.]]
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| − | | + | |
| − | *Manche Energieträger sind "teurer" als andere. So enthält Benzin mehr Energie als die gleiche Menge Kohle.
| + | |
| − | :Der "Kilo-Preis", also die Energiemenge pro Trägermenge wird Potential (o. Beladungsmaß) genannt. Die Potentiale sind physikalische Größen, die punktuelle Eigenschaften des Trägers beschreiben. Bei einer Verdoppelung des Gegenstandes bleiben sie unverändert: So haben zwei identische Pferde die gleiche Geschwindigkeit, Temperatur, Druck, Brennwert,...
| + | |
| − | :Bei den meisten Energieträgern kann das Potential sich verändern, die "Preise" müssen also nicht konstant sein!:
| + | |
| − | | + | |
| − | *Viele Vorgänge in Natur und Technik lassen sich als Wechsel der Energie von einem Träger zu einem anderen beschreiben.
| + | |
| − | :Bei brennender Kohle von der Kohle in die Wärme der Flamme, bei einem laufenden Menschen von der Nahrung in die Bewegung, bei einem Elektromotor von der Elektrizität in die Bewegung, bei der Photosynthese vom Licht in Kohlehydrate,...
| + | |
| − | | + | |
| − | *Bei allen Vorgängen bleibt der Wert, also die Energiemenge, immer gleichgroß:
| + | |
| − | :Energie ist eine Erhaltungsgröße, sie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden. (Im Gegensatz zum Geld gibt es auch weder Inflation noch Deflation :)
| + | |
| − | :Die meißten Energieträger sind auch Erhaltungsgrößen, aber eben nicht alle.
| + | |
| − | | + | |
| − | *In der Regel ist die absolute Energiemenge eines Trägers uninteressant. Man interessiert sich viel mehr für die Energiemengen, die während eines Vorgangs hinaus- oder hineingehen.
| + | |
| − | :
| + | |
| − | *Die Veränderungen der Energiemenge kann man durch einen Energieträgerstrom beschreiben, der die Energie rein oder raustransportiert.
| + | |
| − | | + | |
| − | *Um eine gespeicherte Energiemenge zu bestimmen, muss man den heraus- oder hereinfließenden Energiestrom integrieren.
| + | |
| − | | + | |
| − | *Es ist (leider!?) auch üblich der gespeicherten Energie einen anderen Namen zu geben als der Energie, welche strömt. Man nennt die gespeicherte Energie eine Zustandsgröße, die strömende eine Prozessgröße. (In der Chemie wird die Energie häufig als Enthalpie bezeichnet.)
| + | |
| − | :{|
| + | |
| − | |''Zustandsgröße''
| + | |
| − | |''Prozessgröße''
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |mechanische Energie
| + | |
| − | |mechanische Arbeit
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |thermische Energie
| + | |
| − | |Wärme
| + | |
| − | |}
| + | |
| − | <br style="clear: both" />
| + | |
| − | | + | |
| − | | + | |
| − | ====Tabelle====
| + | |
| − | {|border=1
| + | |
| − | |Name der Energie
| + | |
| − | |colspan="2"|'''''Mengenartige (extensive) Größen''''' <br \> (Energieträger)
| + | |
| − | |colspan="2"|'''''haben zugehörige Eigenschaften (intensive Größen)''''' <br \> (Potential / Beladungsmaß)
| + | |
| − | |Leistung <br \> <math>P = \dot E</math>
| + | |
| − | |absolute <br \> Energieänderung
| + | |
| − | |gespeicherte <br \> Energie
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |
| + | |
| − | |align="right"|'''Energie
| + | |
| − | |<math>[E]=\mathrm{J \quad(Joule)}</math>
| + | |
| − | |colspan="5"|
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |elektrische Energie
| + | |
| − | |align="right"|'''el. Ladung
| + | |
| − | |<math>[Q] = \mathrm{C \quad (Coulomb)}</math>
| + | |
| − | |align="right"|'''el. Potential
| + | |
| − | |<math>[\varphi_{el}] = \mathrm{V \quad (Volt)}=\frac{J}{C}</math>
| + | |
| − | |<math>P=\varphi \, I \quad (U\, I)</math>
| + | |
| − | |<math>\triangle E = \varphi \, Q \quad (U \, Q)</math>
| + | |
| − | |<math>E= \bar \varphi \, Q \quad (\bar U \, Q)</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |Bewegungsenergie
| + | |
| − | |align="right"|'''Impuls
| + | |
| − | |<math>[p] = \mathrm{Hy \quad (Huygens)= kg \frac{m}{s}} </math>
| + | |
| − | |align="right"|'''Geschwindigkeit
| + | |
| − | | <math>[v] = \mathrm{m/s} =\frac{J}{Hy}</math>'''
| + | |
| − | |<math>P=v \, \dot p = v \, F</math>
| + | |
| − | |<math>\triangle E = v \, \triangele p</math>
| + | |
| − | |<math>E = \bar v \, p = \frac{1}{2}\, m\, v^2</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |Wärmeenergie
| + | |
| − | |align="right"|'''Entropie
| + | |
| − | | <math>[S] = \mathrm{Ct \quad (Carnot) =\frac{J}{K}}</math>
| + | |
| − | |align="right"|'''absolute Temperatur
| + | |
| − | |<math>[T] = \mathrm{K \quad (Kelvin)} =\frac{J}{Ct}</math>
| + | |
| − | |<math>P=T \, \dot S</math>
| + | |
| − | |<math>\triangle E = T \, \triangle S</math>
| + | |
| − | |<math>E= \bar T \, S</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |Lageenergie
| + | |
| − | |align="right"|'''Masse
| + | |
| − | |<math>[m] = \mathrm{kg}</math>
| + | |
| − | |align="right"|'''Schwerepotential
| + | |
| − | |<math>[gh] = \mathrm{m^2/{s^2} }=\frac{J}{kg}</math>
| + | |
| − | |<math>P= gh\, \dot m</math>
| + | |
| − | |<math>\triangle E = gh \, \triangle m</math>
| + | |
| − | |<math>E = g\bar h \, m</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |chemische Energie
| + | |
| − | |align="right"|'''Stoffmenge
| + | |
| − | |<math>[n] = \mathrm{mol}</math>
| + | |
| − | |align="right"|'''chem. Potential
| + | |
| − | |<math>[\mu] = \mathrm{J/{mol} }</math>
| + | |
| − | |<math>P= \mu \, \dot n</math>
| + | |
| − | |<math>\triangle E = \mu \, \triangle n</math>
| + | |
| − | |<math>E = \bar \mu \, n</math>
| + | |
| − | |-
| + | |
| − | |Druckenergie
| + | |
| − | |align="right"|'''Volumen
| + | |
| − | |<math>[V] = \mathrm{m^3}</math>
| + | |
| − | |align="right"|'''Druck
| + | |
| − | |<math>[p] = \mathrm{Pa \quad (Pascal) }</math> <br \> <math>. \quad \mathrm{= 10^{-5}bar =\frac{J}{m^3} }</math>
| + | |
| − | |gilt nur für <br \> <math>P= p\, \dot V</math>
| + | |
| − | |inkompressible <br \> <math>\triangle E = p \, \triangle V</math>
| + | |
| − | |Stoffe! <br \> <math>E = \bar p \, V</math>
| + | |
| − | |}
| + | |
| − | | + | |
| − | ==Berechnung der Energiemengen==
| + | |
| − | ===Bei konstantem Beladungsmaß (Potential)===
| + | |
| − | ====Schokolade====
| + | |
| − | [[Bild:Schokolade_Modell.JPG|thumb|Schokolade]]
| + | |
| − | Trägergröße: Stoffmenge n (mol)
| + | |
| − | | + | |
| − | Potential: chem. Potenzial μ (J/mol)
| + | |
| − | | + | |
| − | ''oder''
| + | |
| − | | + | |
| − | Trägergröße: Masse m (kg)
| + | |
| − | | + | |
| − | Potential: chem. Potential <math>\varphi_{ch}</math> (J/kg)
| + | |
| − | | + | |
| − | :<math>I_E=I_n*\mu</math> (oder: <math>\dot E=\dot n*\mu</math>)
| + | |
| − | | + | |
| − | Bei der Änderung der Schokoladenstoffmenge ändert sich das chemische Potential nicht. Deswegen gilt hier:
| + | |
| − | :<math>E=n*\mu</math>
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| − | [[Datei:Schokolade_Halbfabrikat.jpg|thumb]]
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| − | '''Beispiel'''
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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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| − | Trägergröße: Masse m (kg)
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| − | | + | |
| − | Potential: <math>c^2</math> (J/kg)
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| − | | + | |
| − | :<math>I_E=I_m \, c^2</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | 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 die Trägergröße 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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| − | | + | |
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| − | ===Energieübertragung bei Fließgleichgewicht===
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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.
| + | |
| − | | + | |
| − | 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:
| + | |
| − | 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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| − | ====Wasserkraftwerk====
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| − | [[Bild:Hydroelectric_dam_german_mit_Druck_Höhenangabe.png|thumb|Der Druckunterschied vor und nach der Turbine treibt sie an.]]
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| − | Träger: Schwerefeld, Masse m
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| − | Potential: gh
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| − | :<math>I_E=I_m \, g\, h</math> (oder <math>\dot E=\dot m \, g\, h</math>)
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| − | | + | |
| − | ''oder''
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| − | Träger: Volumen (Kubikmeter)
| + | |
| − | | + | |
| − | Potential: Druck (Pascal)
| + | |
| − | :<math>I_E=I_V \, p</math> (oder <math>\dot E=\dot V \, p</math>)
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| − | | + | |
| − | Fließt der Massestrom bei einer konstanten Wasserhöhe in die Turbine, so ist das Potential (sowohl die Höhe als auch der Druck) konstant.
| + | |
| − | | + | |
| − | Das Wasser mit der Masse m fügt der Turbine die Energie m*gh zu. Wobei h die "Fallhöhe" der Turbine, also die Höhendifferenz von Ober- und Unterwasser ist.
| + | |
| − | :<math>E=m\, g\, h</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | Das Wasser mit dem Volumen V fügt der Turbine die Energie V p zu. Wobei p die Druckdifferenz des Wassers vor und nach der Turbine ist.
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| − | :<math>E=V\, p</math>
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| − | '''Beispiele'''
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| − | {|
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| − | |valign="top"|
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| − | An einem Wasserkraftwerk an der Dreisam finden sich folgende Angaben:
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| − | :Leistung: 260kW
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| − | :Durchfluss: 7000 l/sec
| + | |
| − | :Fallhöhe: 4m
| + | |
| − | Man kann aus Durchfluss und Fallhöhe die maximale Leistung berechnen:
| + | |
| − | :<math>I_E=7000 \frac{kg}{sec} \cdot 10\frac{m}{sec^2}\cdot 4m = 280 kW</math>
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| − | Die Turbine hätte demnach einen sehr hohen Wirkungsgrad!
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| − | | + | |
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| − | [[Datei:Dreisamkraftwerk_Fußballstadion.jpg|thumb|Das Dreisamkraftwerk beim Fußballstadion.]]
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| − | |
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| − | [[Datei:Dreisamkraftwerk_Schautafel.jpg|thumb|Angebrachte Schautafel]]
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| − | |}
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| − | [[Datei:Schluchsee_Staumauer_Tafel_7849-2.jpg|thumb|Querschnitt durch die Schluchsee-Stauanlage.]]
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| − | | + | |
| − | Aus der Wikipediaseite über das Schluchseewerk kann man Angaben zur Oberstufe bei Häusern entnehmen:
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| − | :Fallhöhe: 200 m
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| − | :Leistung 100 MW
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| − | | + | |
| − | Daraus läßt sich die Stärke des Wasserstroms berechnen:
| + | |
| − | | + | |
| − | Es gilt für die Druckdifferenz: <math>p \approx 20 bar = 2.000.000 Pa</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | Wegen <math>I_E = I_V \, p</math> folgt <math>I_V=\frac{I_E}{p} = \frac{100 MW}{2 MPa} = 50 \frac{m^3}{sec}</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | Der Wasserstrom wird sogar noch stärker sein, wegen der auftretenden Verluste.
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| − | | + | |
| − | ====Fahrrad fahren====
| + | |
| − | [[Bild:FahrradfahrerIn_mit_Kräften_Impulsstrom.jpg|thumb|Pro Zeit fließt genausoviel Impuls aus der Erde in das Rad wie hinaus in die Luft. (Kräftegleichgewicht)]]
| + | |
| − | Träger: Impuls <math>p</math>
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| − | | + | |
| − | Potential: Geschwindigkeit <math>v</math>
| + | |
| − | :<math>I_E=I_p \, v</math> (oder <math>\dot E=\dot p\, v </math> oder: <math>P=F\, v</math>)
| + | |
| − | | + | |
| − | Nach dem 2. Newtonsches Axiom gibt die Kraft die zeitliche Änderung des Impulses an. Bei konstanter Geschwindigkeit ist die Antriebskraft entgegengesetzt gleichgroß der Widerstandskraft. Es fließt also genausoviel Impuls aus der Erde ins Rad wie, wegen der Luftreibung, hinaus in die Luft und, wegen der Reibung am Boden, zurück in die Erde. (Vgl. [[Unterscheidung von Impuls, Energie und Kraft|dieses Beispiel]])
| + | |
| − | | + | |
| − | '''Beispiel''' Ein Radfahrer fährt konstant mit 36 km/h und gleicht dabei einen Widerstand der Stärke 12 Newton aus. Es fließen also pro Sekunde 12 Huygens Impuls durch den Radfahrer. Durch sein Treten wird der Impuls auf das hohe Geschwindigkeitsniveau gebracht. Dann fließt der Impuls wieder auf das niedrige Niveau zurück, womit dem Radfahrer Energie verloren geht.
| + | |
| − | :Der Energiedurchsatz oder die Leistung beträgt:<math>I_E= 10 N \, 10 \frac{m}{sec} = 120 \frac{J}{sec}</math>
| + | |
| − | Der Radfahrer strampelt also mit 120 Watt, nur um die Luft "anzuschieben".
| + | |
| − | <br style="clear: both" />
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| − | | + | |
| − | ====Kochplatte====
| + | |
| − | [[Bild:Kochplatten Modell.JPG|thumb|Kochplatte & Topf mit Wasser]]
| + | |
| − | Träger: Entropie S
| + | |
| − | | + | |
| − | Potential: Temperatur <math>T</math>
| + | |
| − | :<math>I_E=I_S*T</math> oder: <math>\dot E=\dot S*T</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | Um die in einem "warmen" Gegenstand enthaltene Energiemenge zu bestimmen, könnte man sich vorstellen, dass man ihn vom absoluten Temperaturnullpunkt an erwärmt. Während des Erwärmens fließt ständig Entropie und damit auch Energie hinein. Da die Temperatur sich dabei verändert, müßte man einen genauen Entropieverlauf in Abhängigkeit der Temperatur kennen.
| + | |
| − | | + | |
| − | Einfacher ist der Fall, dass sich die Temperaturen von Herdplatte und Topf nach einer längeren Zeit konstant bleiben. Für diesen Fall gilt wieder, dass pro Sekunde die Energiemenge <math>E= S*T </math> in den Topf fließt.
| + | |
| − | | + | |
| − | Da jedoch die Temperaturen von Kochplatte und dem Topf (bzw. dem Wasser) unterschiedlich sind stoßen wir auf eine Besonderheit:
| + | |
| − | da vorausgesetzt ist, dass der Energiestrom konstant ist, d.h. dass keine Energieverluste auftreten, das System jedoch eine Temperaturdifferenz aufweist muss, um der Forderung gerecht zu werden, Entropie erzeugt werden.
| + | |
| − | D.h. durch das Fliessen der Entropie wird "neue" Entropie erzeugt.
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| − | | + | |
| − | Temperatur der Kochplatte: <math>T_1</math>
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| − | | + | |
| − | Temperatur des Topfes: <math>T_2</math>
| + | |
| − | Mit <math>I_E=I_S*T</math> folgt
| + | |
| − | für den Entropiestrom aus der Platte:<math>I_S_1= I_E/{T_1} </math>
| + | |
| − | | + | |
| − | für den Entropiestrom in den Topf:<math>I_S_2=I_E/{T_2} </math>, wobei <math>I_{S_1} < I_{S_2}</math>!
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| − | | + | |
| − | | + | |
| − | ===Berechnung von Energiemengen bei veränderlichem Potential===
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| − | ====Luftballon====
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| − | [[Bild:Luftballon_Modell.JPG|thumb|Ein Luftballon, aus dem Luft entweicht]]
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| − | Trägergröße: Volumen
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| − | Potenzial: Druck
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| − | :<math>I_E=I_v*p \qquad</math> oder: <math>\dot E= \dot V*p</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | Wenn beim Druck <math>p</math> der Luftballon um das Volumen <math>V</math> kleiner wird, so verringert sich die enthaltene Energie um <math>E = V*p</math>.
| + | |
| − | | + | |
| − | In der Regel wird sich aber der Druck im Ballon ändern, weshalb man zur Bestimmung der gesamten Energiemenge die Fläche im p(V)-Diagramm bestimmen oder den mittleren Druck <math>\bar p</math> verwenden muss. Die Fläche kann man als Integral schreiben. ([http://www.sn.schule.de/~physik/ballon/ballon7.php Info zum p(V)-Diagramm])
| + | |
| − | :<math>E = \int p(V)\, dV = V \, \bar p</math>
| + | |
| − | Wenn der Druck sich gleichmäßig ändert, dann ist der mittlere Druck gerade der halbe Maximaldruck:
| + | |
| − | :<math>E= \frac{1}{2}\, V \, p</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | ====Stausee====
| + | |
| − | [[Bild: Staudamm modell.JPG|thumb|Stausee]]
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| − | Träger: m (Schwerefeld)
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| − | Potential: gh
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| − | :<math>I_E=I_m\, gh \qquad</math> oder: <math>\dot E= \dot m\, gh</math>
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| − | | + | |
| − | Zur Berechnung der Gesamtenergie des Sees stellt man sich vor, dass man den leeren See auffüllt. Die Höhe "0m" soll am Boden des Sees sein.
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| − | | + | |
| − | Fließt das Wasser auf einer konstanten Höhe in den See, so fügt jede Masse m dem See die Energie m*gh zu.
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| − | | + | |
| − | Weil aber während des Füllens die Höhe und somit das Potential ansteigt, muss man wieder die Fläche im gh(m)-Diagramm bestimmen (integrieren) oder die mittlere Höhe benutzen:
| + | |
| − | :<math>E = \int gh(m) \, dm = m\, g \, \bar h</math>
| + | |
| − | Über die mittlere Höhe kann man auch den Schwerpunkt festlegen:
| + | |
| − | :<math>E=m*gh_S</math>
| + | |
| − | Bei einem Wasserbecken oder einem Wasserglas mit konstantem Querschnitt ist die mittlere Höhe die Halbe Höhe, es gilt dann:
| + | |
| − | :<math>E=\frac{1}{2}m\,gh</math>
| + | |
| − | | + | |
| − | ====Wagen====
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| − | [[Bild:Ein_Wagen_rollt_aus.JPEG|thumb|Ein Wagen rollt aus]]
| + | |
| − | Träger: Impuls <math>p</math>
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| − | Potential: Geschwindigkeit <math>v</math>
| + | |
| − | :<math>I_E=I_p\, v \qquad</math> oder: <math>\dot E= \dot p\, v = F\, v</math>
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| − | | + | |
| − | Um die Energiemenge des Wagens zu bestimmen beschleunigt man ihn aus dem Stand. Dabei wirkt eine beschleunigende Kraft und der Impuls fließt rein (nimmt zu).
| + | |
| − | | + | |
| − | In diesem Fall ändert sich die Geschwindigkeit, also das Potenzial, während des Vorgangs. Es ist nicht korrekt zu sagen, dass der Wagen die Energiemenge <math>E=pv</math> enthält. Wieder muss man die Fläche im p-v-Diagramm, also ein Integral, bestimmen oder die mittlere Geschwindigkeit verwenden:
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| − | | + | |
| − | :<math>E = \int v(p) \, dp = p\, \bar v</math>
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| − | | + | |
| − | Nimmt man den einfachen Fall an, dass eine konstante Kraft wirkt, so nimmt die Geschwindigkeit gleichmäßig zu und die mittlere Geschwindigkeit ist daher die Hälfte der maximalen. Weil es aber egal ist, wie der Wagen auf diese Geschwindigkeit gebracht wurde, gilt diese Formel auch für alle anderen Beschleunigungsvorgänge! Demnach beträgt die Energie eines Gegenstandes mit dem Impuls p und der Geschwindigkeit v:
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| − | :<math>E=\frac{1}{2}p\,v = \frac{1}{2}\frac{p^2}{m} =\frac{1}{2}m\, v^2</math>
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| − | | + | |
| − | Für diesen besonderen Fall kann man die Energiestromstärke auch anders berechnen.
| + | |
| − | :a)<math>v=\dot s</math> (Die Geschwindigkeit ist die zeitliche Ableitung des Ortes)
| + | |
| − | :b)<math>\dot E=F\dot s</math>
| + | |
| − | :c)<math>E=Fs</math> (Kraft <math>F</math> ist konstant!)
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| − | Wenn der Wagen auf einer Strecke von 2m ausrollt und von der konstanten Kraft der Stärke 3N gebremst wird, so waren ursprünglich <math>E=3N*2m=6Nm=6</math>Joule im Wagen.
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| − | ==Links==
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| − | *[http://www.buch-der-synergie.de/ Buch der Synergie] (Achmed A. W. Khammas)
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| − | *[http://www.pit.physik.uni-tuebingen.de/studium/Energie_und_Umwelt/ Vortrag: Energiespeicherung] (Uni Tübingen)
| + | |
| − | *[http://www.krause.fh-aachen.de/userfiles/file/ZEN/Ausarbeitungen/2010/2010_Ausarb_Energiespeicher.pdf Artikel über Energiespeicher] (Ivan-Israel Garay, Tim Termeer, Seminar von Gregor Krause, FH Aachen)
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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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