Schüex2010 Glühbirne - s
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Jugend forscht Wettbewerbsrunde 2010 Titel der Arbeit: Ist die Glühbirne wirklich so schlecht, wie ihr Ruf? Bundesland: Wettbewerbssparte: Fachgebiet: Teilnehmer: Betreuungslehrer: Schule: Bremen Schüler experimentieren Physik Kevin Bielefeld Peter Grothe Gesamtschule Bremen-Ost Inhaltsverzeichnis 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Einleitung/Kurzbeschreibung....................................................................................................2 Wie funktioniert eine Glühlampe?...........................................................................................2 Wie funktioniert eine Energiesparlampe? ............................................................................2 Unsere „Wärmemessbox“ ..........................................................................................................3 Bestimmung des Wärmestroms................................................................................................4 Wie viel Wärmeenergie geht bei den untersuchten Lampen verloren?.......................6 Vor- und Nachteile der beiden Lampenarten.......................................................................6 Formulierung des Ergebnisses..................................................................................................7 Quellenverzeichnis:......................................................................................................................7 Anhang .............................................................................................................................................8 1 Jugend forscht Wettbewerbsrunde 2010 1. Einleitung/Kurzbeschreibung Auf die Idee unseres Projektes sind wir gekommen, als es im letzten Sommer so heiß war und wir uns in unserem Klassenraum gefragt haben, wie viel zusätzliche Wärme produziert eigentlich die Beleuchtung in unserem Klassenzimmer? Wir wollen mit unserem Projekt den Wirkungsgrad verschiedener Glüh- und Energiesparbirnen mit einem selbst entwickelten Wärmeströmungsverfahren untersuchen. Wie viel „Abwärme“ produzieren die Leuchtmittel? Außerdem wollen wir uns mit der „tatsächlichen“ Ökobilanz der Energiesparbirne auseinandersetzen. Ist sie wirklich kostengünstiger, auch vor dem Hintergrund einer aufwendigen Herstellung und Entsorgung? 2. Wie funktioniert eine Glühlampe? Der wichtigste Teil einer Glühlampe ist der Glühdraht, denn dieser ist für das Licht verantwortlich. Der Glühdraht hängt an zwei oder drei Haltedrähten, durch diese fliest die Elektrizität in den Glühdraht. Der wird erhitzt und beginnt zu leuchten. Der Glühdraht ist in einer Spirale aufgewickelt. Dadurch wird weniger Strom verbraucht weil sich die Drahtteile gegenseitig erwärmen können. Durch die Spiralform ist der Glühdraht bis zu einem Meter lang und 0,02mm dünn. Eine weitere wichtige Voraussetzung ist das Vakuum in dem Glaskolben. Der Glühdraht ist nach maximal 1000 Stunden verbraucht und die Glühlampe geht kaputt. 3. Wie funktioniert eine Energiesparlampe? Energiesparlampen gehören zur Gruppe der Leuchtstoffröhren. Sie enthalten ein Gas das durch den Strom zu leuchten beginnt (Licht im UV-Bereich). Wir Menschen können das UV-Licht nicht sehen. Aber das UV-Licht kann andere Materialien dazu anregen, selbst Licht auszusenden. An der Innenseite der Energiesparlampe ist eine dünne Schicht Metall, die zu leuchten beginnt wenn sie mit UV-Licht bestrahlt wird. Dies ist der Leuchtstoff, daher auch der Name Leuchtstoffröhre. 2 Jugend forscht Wettbewerbsrunde 2010 4. Unsere „Wärmemessbox“ Um festzustellen, wie viel Wärme eine Lampe abgibt, haben wir einen Holzkasten gebaut. An beiden Seiten des Kastens haben wir ein Loch in den Kasten gesägt. Auf der einen Seite haben wir einen Ventilator aus einem alten Computer befestigt und auf der anderen Seite ein Rohr nach außen. Im Kasten haben wir eine Glühbirnenfassung angebracht. Der Ventilator ist mit einem 12 Volt-Netzgerät verbunden. Damit möglichst wenig Wärme vom Holz des Kastens aufgenommen wird und dem Wärmestrom verloren geht, haben wir den Innenraum des Kastens mit Aluminiumfolie ausgekleidet, damit die Wärme reflektiert wird. Mit einem Watt-Messer messen wir, wie viel Watt die Glühbirne tatsächlich hat. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft haben wir am Rohrausgang mit einem Windgeschwindigkeitsmesser der Firma Kaindl gemessen. Die Temperaturen am Ein- und Ausgang unserer Wärmemessbox haben wir mit dem Interfacesystem von Cornelsen (CorExLogger) digital gemessen. Hier einige Abbildungen unseres Versuchaufbaus: 3 Jugend forscht Wettbewerbsrunde 2010 Hier die Oberfläche der Cornelsen Software: Aus dem Temperaturunterschied und der Strömungsgeschwindigkeit der Luft können wir die Wärme, die die Lampe pro Zeit abgibt, berechnen. Die Berechnung wird im Folgenden erklärt. 5. Bestimmung des Wärmestroms Die Wärme, die von der untersuchten Lampe abgegeben wird, wird durch einen kontinuierlichen Luftstrom abgeleitet (gekühlt). Wie viel Wärme steckt nun in unserer Abluft? Das Wärmespeichervermögen der Luft hängt von verschiedenen Faktoren ab. Da wäre zu nennen die Wärmekapazität der Luft. Luft ist eine Gasmischung aus verschiedenen Gasen und hat ein viel geringeres Wärmespeichervermögen als z.B. Wasser. Um die Wärmeleistung der Glühlampe zu bestimmen, muss die Luftmasse, die an der Glühlampe pro Zeit vorbeiströmt, sowie die Temperatur des Luftstromes vor und nach der Lampe bestimmt werden. Das Produkt der Austrittsfläche A mal der Austrittsgeschwindigkeit v ergibt den Volumenstrom pro Zeit. Multipliziert man diesen Volumenstrom mit der Dichte der Luft € , erhält man die Masse m der Luft, die an der Lampe vorbeiströmt. 4 Jugend forscht Wettbewerbsrunde 2010 Multipliziert man diesen Massenstrom mit dem spezifischen Wärmespeichervermögen c und dem Temperaturunterschied dT vor und nach der Erwärmung, erhält man die Wärmeleistung P der Lampe. Zur Vermeidung von gravierenden Messfehlern, haben wir jede Messung sehr lange laufen lassen, damit sich unsere Messbox nach jeder Messung „akklimatisiert“ und unbeabsichtigte Wärmeverluste weitestgehend vermieden wurden. Folgende Formel dient zur Berechnung des Wärmestroms, also der Abwärme der untersuchten Lampe. Das Ergebnis der Rechnung ist die Wärmeleistung der Lampe in Watt und kann also direkt mit der elektrischen Leistungsaufnahme der Lampe verglichen werden. P€ dQ dm € • c • dT € c • € • A • v • dT dt dt Erklärung der Formelsymbole: P: Wärmeleistung dQ : Wärmemenge/Zeitintervall dt dm : Luftmasse/Zeitintervall dt c: Wärmespeichervermögen der Luft (1005 J/(kgK)) €: Dichte der Luft (1,2041 kg/m³) A: Austrittsfläche der Luft (15,9 cm²) v: Geschwindigkeit des Luftstroms in m/s dT: Temperaturunterschied des Luftstroms Die Berechnung haben wir der Einfachheit halber mit Tabellenkalkulationsprogramm Excel durchgeführt. Hier beispielhaft Tabellenblatt, zur Berechnung der Wärmeleistung: dem ein 5 Jugend forscht Wettbewerbsrunde 2010 6. Wie viel Wärmeenergie geht bei den untersuchten Lampen verloren? Tabelle der Messwerte: Meßwerte Lampentyp Eintritts- Austrittstatsächliche AusströmTemperaturLeistungstemperatur temperatur geschwindigkeit unterschied aufnahme der Luft der Luft Glühbirne 64 Watt 4,2 m/s 21,1 °C 26,1 °C 4,9 °C Glühbirne 93 Watt 4,2 m/s 21,9 °C 29,8 °C 7,8 °C Energiesparlampe 6,5 Watt 4,2 m/s 20,6 °C 21,2 °C 0,5 °C Energiesparlampe 11 Watt 4,2 m/s 20,2 °C 21,3 °C 1 °C Vergleich der untersuchten Lampenarten Lampentyp Leistungsaufnahme Wärmeleistung Wärmeverlust Glühbirne 60 Watt 39,61 Watt 61,9% Glühbirne 100 Watt 63,05 Watt 67,8% Energiesparlampe 7 Watt 4,04 Watt 62,2% Energiesparlampe 11 Watt 8,08 Watt 73,5% Dass der überwiegende Teil der elektrischen Energie bei der Glühlampe in Wärme umgewandelt wird, hat uns nicht überrascht. Überraschend ist, dass die Energiesparlampe, trotz ihrer geringeren elektrischen Leistungsaufnahme anteilig nahezu genauso viel ihrer aufgenommenen elektrischen Energie in Wärme abgibt, als die Glühbirne. Scheinbar ist der Wirkungsgrad der Energiesparlampe nicht so gut, wie ihr Ruf obwohl sie genauso viel Licht abgibt, wie eine 60Watt-Glühbirne. Die abgegebene Lichtleistung konnten wir aus Zeitgründen leider nicht mehr untersuchen. 7. Vor- und Nachteile der beiden Lampenarten Die Glühbirne enthält keine giftigen Stoffe und kann deshalb im Hausmüll entsorgt werden. Die Energiesparlampe enthält einen giftigen Stoff (Quecksilber). Deshalb muss sie im Sondermüll entsorgt werden. Laut Wikipedia werden weniger als 25% der privat genutzten Energiesparlampen fachgerecht entsorgt. Welche Umweltbelastungen davon ausgehen, ist noch unklar. Wegen der aufwendigeren Herstellungskosten ist die Energiesparlampe teurer als die der Glühbirne. 6 Jugend forscht Wettbewerbsrunde 2010 Übersicht der Vor- und Nachteile: Glühbirne Vorteile geringe Produktionskosten geringe Entsorgungskosten warmes Licht sofort volle Lichtleistung niedriger Anschaffungspreis enthält ungiftige Stoffe Nachteile großer Stromverbrauch geringe Lebensdauer Energiesparbirne Vorteile geringerer Stromverbrauch längere Lebensdauer Nachteile hohe Produktionskosten hohe Entsorgungskosten kaltes Licht nicht gleich volle Lichtleistung hoher Anschaffungspreis enthält giftiges Quecksilber 8. Formulierung des Ergebnisses Bei unseren Untersuchungen haben wir etwas Erstaunliches festgestellt. Die Energiesparlampe wandelt ebenso wie die Glühbirne eine große Menge elektrischer Energie in Wärme um. Außerdem sind die Herstellungs- und Entsorgungskosten teuer. Fazit: Die Glühbirne ist zwar ein Energiefresser. Demgegenüber schneidet die Energiesparlampe, wenn die Herstellungs- und Entsorgungskosten mit berücksichtigt werden, auch nicht besonders gut ab, vor Allem wegen der Umweltbelastungen, die von ihr ausgehen. Vermutlich werden in Zukunft vielen Glühlampen und Energiesparlampen durch Leuchtdioden ersetzt, deren Wirkungsgrad besser ausfällt, weil sie weniger Wärme erzeugen. 9. Quellenverzeichnis: http://de.wikipedia.org/wiki/Glühlampe http://de.wikipedia.org/wiki/Energiesparlampe http://www.ecotopten.de/download/EcoTopTen_Endbericht_Lampen.pdf 7 Jugend forscht 10. Wettbewerbsrunde 2010 Anhang Glühlampe 60 Watt Glühlampe 100 Watt 8 Jugend forscht Wettbewerbsrunde 2010 Energiesparlampe 7 Watt Energiesparlampe 11 Watt 9
