Thema: Energie


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Energieformen

Energie kommt in verschiedenen Formen vor:

(In den Klammern stehen alternative Bezeichnungen für die Formen.)


Energiewandler

Die Energieformen können durch Wandler ineinander umgewandelt werden. Hier ein paar Beispiele:


Energieflussdiagramm

Die Umwandlung von einer Energieform durch einen Energiewandler in eine andere Energieform, kann durch ein Energieflussdiagramm dargestellt werden. Dabei steht in einem Pfeil die eingehende Form, dann in einem Kasten der Wandler und in einem weiteren Pfeil die ausgehende Form.

Beispiel: Ein Wasserkocher wird an die Steckdose angeschlossen und erhitzt Wasser. Dabei wandelt er elektrische Energie in Wärmeenergie um:


Arbeitsblatt: AB1_Umwandlungsketten.pdf


Mit Energie rechnen

Für Energien kann man auch Mengenangaben machen. Die Einheit dazu heißt "Joule" (kurz: J).

Bei Höhenenergie: Wenn man 1 kg um 1 m hochhebt, hat man 10 J Energie umgewandelt.

Beispiel: Bergsteigen

Eine 70 kg schwere Person steigt auf einen 1,2 km hohen Berg. Wie viel Joule entspricht das?

1 kg um 1m sind 10 J
70 kg um 1 m sind dann 70∙10 J = 700 J
70 kg um 1200 m sind dann 1200∙700 J = 840.000 J

Beispiel: Kiste heben

In einer Kiste sind verschiedene Gegenstände. Einer wiegt 5 kg, einer wiegt 3 kg und ein anderer wiegt 8 kg. Wie viel Energie braucht man, um die Kiste 6 m hoch zu heben?

Zusammen sind es 16 kg
1 kg um 1m sind 10 J
16 kg um 1 m sind dann 16∙10 J = 160 J
16 kg um 6 m sind dann 160∙6 J = 960 J

Chemische Energie aus Essen

Lebensmittel bestehen aus vielen Inhaltsstoffen. Für die Energieversorgung unseres Körpers sind hauptsächlich Fett, Kohlenhydrate (Zucker) und Eiweiß (Proteine) verantwortlich. Dabei benutzt man meistens Kalorien (kcal) anstatt Joule als Einheit. In den Tabellen auf den Lebensmittelverpackungen stehen meistens beide Angaben.

Fett: 1 g = 9 kcal = 37.000 J
Kohlenhydrate: 1 g = 4 kcal = 17.000 J
Eiweiß: 1 g = 4 kcal = 17.000 J

Beispiel: Ein Apfel hat circa 350.000 J chemische Energie.


Arbeitsblatt: AB2_Mit_Energie_rechnen.pdf


Kontomodell

Um einfach und ohne Rechnung Energieumwandlungen anzuzeigen, kann man sie als Füllstände von Energiekonten darstellen. Dabei hat jede Energieform ein Konto. Dabei kürzt man die Bezeichnungen mit einem Buchstaben ab. Wandelt sich dann eine Form in eine andere um, so leert sich ihr Konto und das der anderen füllt sich.
Zusammen ergeben alle Füllstände immer genau ein volles Konto, weil Energie nicht mehr oder weniger werden kann, sondern nur umgewandelt wird.


Beispiel Pendel: Ein Pendel, das hin und her schwingt, wandelt Höhenenergie H in Bewegungsenergie B um und wieder umgekehrt. Am höchsten Punkt steht es still und hat nur Höhenenergie. Am tiefsten Punkt ist es am schnellsten und hat nur Bewegungsenergie.

H B H B H B H B H B H B


Beispiel Flummi: Ein Flummi, der auf und ab springt, wandelt Höhenenergie H in Bewegungsenergie B um. Am Boden wird kurzzeitig die gesamte Begewegungsenergie in Spannenergie S umgewandelt. Diese katapultiert ihn schließlich wieder nach oben, indem sie wieder zu Bewegungsenergie in die andere Richtung wird.

H B S


Arbeitsblatt: AB3_Kontomodell.pdf


Übungsaufgaben

Allgemeine Aufgaben zu Energieumwandlungen: AB4_Energieumwandlungen.pdf

Energiewandler-Puzzle zum Ausschneiden: AB5_Energiewandler-Puzzle.pdf


Abwärme

Bei jeder Energieumwandlung tritt auch immer Wärme auf. Sie ist meistens unerwünscht und wird dann Abwärme genannt. Das Problem dabei ist, dass sie sich mit der Umgebung verbindet und danach kaum noch nutzbar ist. In Übertragungsketten zeichnet man sie als abgehenden Pfeil ein.


Beispiel Leuchtdiode: Bei einer Leuchtdiode (LED) wird nur ungefähr 30% der eingehenden Energie in Lichtenergie umgewandelt. 70% fließen als Abwärme in die Umgebung.

Lückentext

Ein Kochtopf steht auf einer zu großen Herdplatte (siehe Bild). Fülle die Lücken passend aus:

Den Unterschied zwischen Wärmeenergie und Abwärme kann man anschaulich beim Kochen erklären. Da der __________________ kleiner ist als die heiße __________________, geht ein Teil der _____________ verloren. Der Anteil, der zum Kochen verwendet wird, ist die __________________, da sie ja die gewünschte Energieform zum Heißmachen ist. Der Anteil, der bloß die Luft erwärmt und nicht den __________________, ist die _______________. Sie wird in der Herdplatte aus elektrischer Energie ________________, ohne sinnvoll genutzt zu werden.

Lösungen

Kochtopf, Herdplatte, Energie, Wärmeenergie, Kochtopf, Abwärme, umgewandelt


Themen der Arbeit



Übungen zur Arbeit

Aufgabe 1

Nachfolgend sind die Energieformen dargestellt und einige mit Pfeilen verbunden, die an den Spitzen nummeriert sind. Die Pfeile geben an, welche eingehende Form von einem Wandler in welche ausgehende Form umgewandelt wird. Pfeil 1 steht z.B. für eine Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie.

Notiere die noch fehlende Energieform.
Ordne dann je einen Wandler aus der Auswahl den Pfeilen 1-10 zu und notiere sie.

Auswahl: Atomkraftwerk; brennende Kohle; Peltier-Element; Lampe; Federpendel; Fahrrad mit Dynamo; Fadenpendel; Pumpspeicherwerk; mit Muskelkraft etwas drücken; Jogger (Mensch)

Lösung

Fehlende Energieform: Chemische

Wandler in Reihenfolge: Lampe; Atomkraftwerk; brennende Kohle; Fahrrad mit Dynamo; Federpendel; Fadenpendel; Pumpspeicherwerk; Jogger (Mensch); Peltier-ELement; mit Muskelkraft etwas drücken

Aufgabe 2

Früher wurden Züge nicht elektrisch oder mit einem Dieselmotor angetrieben, sondern es wurde darin Kohle in einem Ofen verbrannt (in einer sogenannten Dampflok). Damit wurde Wasser in einem Kessel erhitzt und der dadurch entstehende Luftdruck an einer Turbine in Bewegung umgewandelt.
Hinweis: Luftdruck ist Bewegungsenergie in Luft.

Bringe die nachfolgenden Begriffe in die richtige Reihenfolge für die Energieübertragungen bei einer Dampflok und zeichne dann das Energieflussdiagramm dazu (mit Pfeilen und Kästchen).

Begriffe: Kohle, Ofen, Bewegungsenergie, Turbine, chemische Energie, Bewegungsenergie, Zug, Wärmeenergie, Luft und Wasser im Kessel

Lösung

Reihenfolge (Wandler in Kästchen und Formen mit Pfeilen):
[Kohle] -> chemische Energie -> [Ofen] -> Wärmeenergie -> [Luft und Wasser im Kessel] -> Bewegungsenergie -> [Turbine] -> Bewegungsenergie -> [Zug]

Aufgabe 3

Der Bergsteiger Tim wiegt 70 kg und möchte einen 800 Meter hohen Berg erklimmen.

a) Berechne, wie viel Höhenenergie er dafür aufbringen muss.

b) Tim nimmt noch 20 kg Reiseproviant mit. Wie viel Höhenenergie ist es dann insgesamt?

c) Ein belegtes Brot entspricht ca. 800 kJ Energie (das sind 800.000 J). Damit kann Tim ja locker den Berg erklimmen!
ABER: Aus Nahrung kann unser Körper tatsächlich nur etwa ein Viertel der Energie nutzen, um Bewegungsenergie oder Höhenenergie umzuwandeln. Der Rest wird für lebenswichtige Mechanismen und die Körperwärme gebraucht.
Kann Tim also mit der Energie des Brotes den Berg erklimmen?

Lösungen

a) 70 kg um 800 m entsprechen 560.000 J

b) 90 kg um 800 m entsprechen 720.000 J

c) Die 800.000 J hätten gereicht, wenn sie vollständig für die Höhe umgewandelt werden könnten. Ein Viertel davon sind aber nur 200.000 J. Die reichen nicht für die 720.000 J aus, die Tim benötigt.