Energiekonzept
Werbung
Materialien zu „Natur und Technik“ - Das Energiekonzept 01.09.2004 Das Energiekonzept im Fach Natur und Technik Energie ist ein Begriff aus den Naturwissenschaften, den alle Menschen sehr selbstverständlich im täglichen Leben verwenden. Deshalb ist es erstaunlich, dass eine griffige und einfache Definition von Energie grundsätzlich nicht möglich ist. Der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman drückt das so aus: „Es ist wichtig, einzusehen, dass wir in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist.“1 Die bisher im Unterricht übliche Definition als „gespeicherte Arbeit“ ist weder fachlich noch didaktisch zu empfehlen. Erst im Unterricht der Jgst. 8 wird die Energie als eine Größe festgelegt, für die das Erhaltungsprinzip gilt. In diesem Zusammenhang wird auch die innere Energie als Gesamtenergie aller Teilchen eines Körpers eingeführt, die sich aus Bewegungsenergien, potenziellen Energien und Bindungsenergien zusammensetzt. Die Schüler lernen im Physikunterricht der Jgst. 8, dass durch Arbeit oder Wärme die Energie eines „Systems“ erhöht bzw. erniedrigt wird. Der zentrale Ansatz ist, dass in einem abgeschlossenen System die Gesamtenergie erhalten bleibt, sie sich jedoch von einer Energieform zur anderen wandeln kann. Im Chemieunterricht der Jgst. 8 im NTG bzw. Jgst. 9 der anderen Gymnasien wird die Reaktionsenergie als Energieumsatz bei chemischen Reaktionen eingeführt. Den Begriff „exotherm“ verwendet man dort zur Beschreibung von Reaktionen, bei denen chemische Energie in eine andere Energieart (im engeren Wortsinne in thermische Energie) überführt wird. Die umgekehrte Richtung des Energiewandels trägt die Bezeichnung „endotherm“. Für die Unterstufe soll eine deutlich elementarisierte Verwendung des Energiebegriffs genügen. Dazu kann man beispielsweise (ohne das zu thematisieren) das System immer ausreichend groß wählen, so dass stets nur Energiewandlungen betrachtet werden müssen. Die Kinder sollen eine stoffähnliche Vorstellung von Energie bekommen, die sich in unterschiedliche Formen umwandeln und an unterschiedliche Träger gebunden sein kann. Beispielsweise wird die Sonnenenergie auf der Erde u. a. in chemische Energie (Pflanzenwachstum, Wasserstoffgewinnung), in elektrische Energie (Solarzelle, Wasserkraftwerk), in Lageenergie (Wasserkraft) und in Bewegungsenergie (Windkraft) oder thermische Energie (Erwärmung des Wassers ...) umgewandelt. Wenn man zumindest indirekt den Systemcharakter andeuten möchte, kann man mit einfachen Grafiken (Energieflussdiagramme) die Energie- und oft auch Stoffströme visualisieren (siehe Abb. 1 bis Abb. 3) Ein wesentlicher Aspekt dafür, dass die Idee „Energie“ so erfolgreich ist, liegt darin, dass sie alle Bereiche der Naturwissenschaften und der Technik miteinander verbindet. Das erkennen die Schüler an vielen Beispielen und nutzen es sehr selbstverständlich und pragmatisch. Verwendet man den Begriff Energie in den unteren Klassen selbstverständlich und pragmatisch in unterschiedlichsten Situationen, wird er den Schülern mehr und mehr vertraut, und allmählich wandelt sich bei vorsichtiger Unterstützung durch die Lehrenden die Sprechweise von der undifferenzierten Alltagssprache zur hilfreichen Fachsprache. In der Mittelstufe wird ein fundierter Umgang mit dem Energiebegriff in allen naturwissenschaftlichen Fächern unerlässlich (siehe Abb. 4 und 5). Wichtig ist es, dass die Lehrkraft darauf achtet, dass zumindest beim eigenen Sprachgebrauch immer vom Energiewandel die Rede ist, dass also keine Energie „erzeugt“ oder „vernichtet“ wird. Natürlich lässt sich die Qualität der Energieform für den Nutzer ansprechen und es lassen sich damit auch z. B. „Wärmeverluste“ bei Maschinen klären. In der Unterstufe ist es in diesem Zusammenhang nicht nötig, den Begriff Wirkungsgrad einzuführen. Wegen der großen Verwechslungsgefahr sollte auch der Begriff „Wärme“ vermieden werden, da er innerhalb der Physik als Prozessgröße für den Energieübergang beim thermischen Kontakt fest definiert ist, umgangssprachlich aber sowohl für Temperatur als auch für thermische Energie oder auch für Temperaturempfindung verwendet wird. 1 R. P. Feynman et al: „Feynman Vorlesungen für Physik, Bd. 1“, München, Oldenbourg 1991 Seite 1 von 3 Materialien zu „Natur und Technik“ - Das Energiekonzept 01.09.2004 „Energie“ im Lehrplan Natur und Technik Beispiel Lehrplanbezug Bemerkung Der Begriff „Lichtenergie“ ist akzeptabel, statt „Wärmeenergie“ soll von „thermischer Energie“ gesprochen werden. Lageenergie, Bewegungsenergie, elektrische Energie Lichtwirkung, Sonnenkollektor, Solarzelle, Sonnenbrand, Bleichen NT 5.1.2 Licht Wasserkraftwerk NT 5.1.2 Wasser Stoffumwandlung, Verbrennung NT 5.1.2 Stoffe und Materialien Energie wird zugeführt oder frei. Atmung, Nährstoffe NT 5.1.2 Umwelt und Leben Die Nährstoffe enthalten chemische Energie. Stoffaufnahme für Wachstum und Energieversorgung des Körpers NT 5.2.2 Der Körper des Menschen und seine Gesunderhaltung Die Nährstoffe enthalten chemische Energie. Wachstum und Energiebindung NT 6.1.2 Bau und Lebenserscheinungen der Blütenpflanzen Bei der Photosynthese wird Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt und somit gebunden. Beispiele für die Darstellung von Energieumwandlungen mit Flussdiagrammen Abb. 1: Energie- und Stoffströme bei einem Eichhörnchen (Biologie der Unterstufe) Nuss, Sauerstoff, ... chemische Energie Kohlenstoffdioxid, Wasser… mechanische und thermische Energie (Klettern, „Heizen“ des Körpers ...) Abb. 2: Elektrizitätsgewinnung in einem Wasserkraftwerk (Physik der Unterstufe) Lageenergie des Wassers elektrische Energie Seite 2 von 3 Materialien zu „Natur und Technik“ - Das Energiekonzept 01.09.2004 Abb. 3: Verbrennung (Chemie der Unterstufe) Wachs, Sauerstoff chemische Energie Kohlenstoffdioxid, Wasser, … Licht, thermische Energie Abb. 4: Änderung des Aggregatzustandes: (Physik der Mittelstufe) (fester) Schnee (flüssiges) Wasser Sonnenenergie (Licht und Wärmestrahlung) Bewegungsenergie der Wasserteilchen Abb. 5: Energieumwandlung bei einer exothermen Reaktion (Chemie der Mittelstufe) Zündenergie, Innere Energie (Ei) Reaktionsenergie (∆Ei): thermische Energie, Licht . . . : Kaliumchlorat, Gummibärchen Kohlenstoffdioxid, Wasser, Kaliumchlorid, . . . . Seite 3 von 3
