Die Energie als Erhaltungsgröße
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Grundwissen Physik 8. Klasse Grundwissen Physik 8. Klasse Die mechanische Arbeit Die Energie als Erhaltungsgröße Kraftwandler r F Arbeit = Kraft Weg Ein Kraftwandler ist eine mechanische Anordnung, die eine Kraft wirken lässt, welche größer ist als die Kraft, die aufgewendet wird (oder umgekehrt). s W = F⋅s Formelzeichen: W Beispiel: Flaschenzug Einheit: 1 N ⋅1 m = 1 Nm = 1 J Joule („dschul“) r Beachte: s ist die Wegstrecke, in deren Richtung die Kraft F zeigt. Aufgewendete Kraft F Die mechanische Energie Gewichtskraft (lose Rollen plus Last) FG Energie ist die physikalische Größe, die ein Körper besitzt, wenn er verformen oder erwärmen oder Licht aussenden oder mechanische Arbeit verrichten kann. F Anzahl der losen Rollen n Energie ist gespeicherte Arbeit! Dann gilt F= FG 2⋅n Formelzeichen: E Weitere Beispiele: Schiefe Ebene, Hebel, Rollen Formen mechanischer Energie FG Die goldene Regel der Mechanik Je kleiner die aufgewendete Kraft, desto größer der benötigte Weg. Beispiel: Flaschenzug Hubstrecke h Zugstrecke s s 1 ⋅m ⋅ v2 2 • Kinetische Energie E kin = • Höhenenergie Eh = m ⋅ g ⋅ h • Spannenergie E sp = 1 ⋅ D ⋅ s2 2 D: Federkonstante s: Dehnung der Feder Der Energieerhaltungssatz der Mechanik In einem System, in welches nicht eingegriffen wird (abgeschlossenes System) ist die Summe über alle mechanischen Energieformen zu jedem Zeitpunkt konstant: F Anzahl der losen Rollen n Einheit: 1 J Dann gilt: s = 2 ⋅ n ⋅ h F E ges = E kin + E h + E sp = konstant h FG FG Beachte: Die Reibung wird hierbei vernachlässigt! Beachte: Die goldene Regel der Mechanik gilt für alle Kraftwandler! Seite 1 von 10 Gymnasium Casimirianum Coburg Seite 2 von 10 Gymnasium Casimirianum Coburg Grundwissen Physik 8. Klasse Grundwissen Physik Umwandlungen mechanischer Energie Aufbau der Materie und Wärmelehre Die einzelnen mechanischen Energieformen können sich ineinander umwandeln, ihre Summe ist jedoch immer die gleiche. Das Teilchenmodell der Materie Die Materie ist aus kleinsten Teilchen aufgebaut. Beispiel: Fadenpendel ohne Reibung (m=100g; h=1m) Eh = 1 J Ekin = 0 J h Beispiele: Ein Eisenblock besteht aus Eisenatomen, Wasser besteht aus H2O-Molekülen Sauerstoffgas besteht aus O2- Molekülen Eh = 1 J Ekin = 0 J h 2 Eh = 0,5 J Ekin = 0,5 J Eh = 0 J Ekin = 1 J = 1J 8. Klasse Zu jedem Zeitpunkt gilt: Eh + Ekin = 1J Materie kann in drei verschiedenen Aggregatszuständen vorliegen: Festköper Flüssigkeit Gas Die Teilchen sind ortsfest Die Teilchen sind verschiebbar Die Teilchen sind frei Weitere Beispiele: Freier Fall, Würfe, schiefe Ebene, Federpendel Der Wirkungsgrad Wirkungsgrad η = genutzte Energie / aufgebrachte Energie η= E nutz E aufg Die Temperatur Es gilt immer: η < 100 % Reibung ist in echt nie vernachlässigbar! Perpetuum mobile: Maschine mit η ≥ 100 % Unmöglich! Die Temperatur ϑ ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen. • Die mechanische Leistung Leistung = umgesetzte Energie / benötigte Zeitdauer P= Formelzeichen: P ∆E ∆t Seite 3 von 10 1. Den Gefrierpunkt von Wasser: 0 °C 2. Den Siedepunkt von Wasser: 100 °C • Einheit: 1 J = 1 W Watt s Gymnasium Casimirianum Coburg Die Celsius-Temperaturskala ist festgelegt durch Absoluter Temperaturnullpunkt: -273,15 °C Bei dieser Temperatur beträgt die kinetische Energie aller Teilchen gleich 0 J. Es gibt keine niedrigere Temperatur. Seite 4 von 10 Gymnasium Casimirianum Coburg Grundwissen Physik 8. Klasse Innere Energie Grundwissen Physik 8. Klasse Übergänge zwischen Aggregatszuständen • Schmelzen und Erstarren Die Innere Energie Ei eines Körpers ist die Summe der Energien aller Teilchen aus denen der Körper besteht. ϑ Eis Eis WasserMischung Erster Hauptsatz der Wärmelehre Wasser Um die innere Energie eines Körpers zu erhöhen, kann man entweder mechanische Arbeit W an ihm verrichten oder ihm Wärme Q übertragen (oder beides). Q 0°C In diesem Bereich wird die Wärme dazu verwendet, das Eis von 0°C in Wasser von 0° C zu verwandeln. ∆E i = W + Q Merke: Die Wärme Q ist eine Energieform! (Einheit: 1 J) • Sieden und Kondensieren: ϑ Beispiel: Eine Heizplatte überträgt einem Kochtopf Wärme, verrichtet jedoch keine mechanische Arbeit an diesem. Wasser Wasser DampfMischung Grundgleichung der Wärmelehre Wird einem Körper Wärme zugeführt und ändert sich dabei sein Aggregatszustand nicht, so führt dies zu einer Temperaturerhöhung des Körpers. Q 100°C Q = c ⋅ m ⋅ ∆ϑ ∆ϑ : Temperaturänderung kJ c: Spezifische Wärmekapazität (Materialkonstante, Einheit: ) kg ⋅ °C Beachte: Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität! kJ c = 4,19 Wasser kg ⋅ °C Wasserdampf In diesem Bereich wird die Wärme dazu verwendet, das Wasser von 100°C in Wasserdampf von 100° C zu verwandeln. m: Masse des Körpers • Verdunsten Unter Verdunstung versteht man den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand bei einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur. Sehr schnelle Teilchen, Suppe Seite 5 von 10 Gymnasium Casimirianum Coburg Seite 6 von 10 Gymnasium Casimirianum Coburg Grundwissen Physik 8. Klasse Erklärung: Bei jeder Temperatur gibt es in der Flüssigkeit auch einige schnelle Teilchen, die entkommen und von einem Luftstoß weggeblasen werden können. Hierbei fällt auch die Temperatur der Flüssigkeit. Nach einiger Zeit sind alle Teilchen entkommen, die Flüssigkeit ist verdunstet. Grundwissen Physik 8. Klasse Elektrische Energie Die Elementarladung Die kleinste (stabile) elektrische Ladung ist die Ladung e eines Elektrons e = 1,6 ⋅ 10 −19 C Änderung bei Temperaturänderung Die Elektrische Spannung • Längenänderung fester Körper: ∆l = α ⋅ l 0 ⋅ ∆ϑ • α : Längenausdehnungskoeffizient (Materialkonstante ohne Einheit) ∆ϑ : Temperaturänderung ∆l l0 • Volumenänderung von Stoffen: Wird eine Ladungsmenge Q durch eine Spannung U beschleunigt, so erhält sie hierbei einen Zuwachs an kinetischer Energie von ∆E . Der Energiezuwachs ist umso größer, je mehr Ladung Q bewegt wird und je stärker die angelegte Spannung U ist. U + - ∆V = γ ⋅ V 0 ⋅ ∆ϑ + γ : Volumenausdehnungskoeffizient (Materialkonstante o. Einheit) • Anomalie des Wassers: Im Gegensatz zu den meisten anderen Stoffen nimmt das Volumen einer Wassermenge wieder zu, wenn die Temperatur unter 4°C sinkt. Q + Hier hat die Elektrische Ladung Hier hat die Elektrische Ladung die noch keine kinetische Energie kinetische Energie Ekin = Q ⋅ U Für die elektrische Spannung U gilt also: U = ∆E Q Das Ohmsche Gesetz Für Metalle bei ϑ = konstant gilt: R= U = konstant I U: Elektrische Spannung I: Elektrische Stromstärke R: Elektrischer Widerstand Seite 7 von 10 Gymnasium Casimirianum Coburg Seite 8 von 10 Gymnasium Casimirianum Coburg Grundwissen Physik 8. Klasse Grundwissen Physik 8. Klasse Serien- und Parallelschaltung Umwandlung elektrischer Energie • Serienschaltung Elektrische Energie kann in andere Energieformen umgewandelt werden. U I = I1 = I 2 Stromstärke: R1 Spannung: U = U1 + U 2 Widerstand: R ges = R 1 + R 2 Beispiel: Elektrische Energie EEl R2 Kraftwerk • Parallelschaltung: U R1 Wärme Q Tauchsieder Stromstärke Iges = I1 + I 2 Die elektrische Leistung Spannung U = U1 = U 2 Die elektrische Leistung P gibt an, wie viel elektrische Energie der Zeit t in andere Energieformen umgewandelt wird. Widerstand R2 1 R ges = 1 1 + R1 R 2 P= ∆E t ∆E in P = U⋅I J Einheit: 1V ⋅ 1A = 1VA = 1 = 1W s Seite 9 von 10 Gymnasium Casimirianum Coburg Seite 10 von 10 Gymnasium Casimirianum Coburg
