Energieumwandlung
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N&T 14 Energieumwandlung 01 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Unsere Welt wird momentan von zwei Typen Energie bestimmt: Dem Strom und den Kohlenwasserstoffen. Das erste Schwergewicht soll auf den Kohlenwasserstoffen und dessen Aufbau liegen. Im Gegensatz zu vielen Stoffen der anorganischen Chemie sind die Stoffe der organischen Chemie mannigfaltiger und unterschiedlicher. Das Erdöl und Erdgas, die an vielen Stellen der Erde gefördert werden, bestehen aus rund 7000 verschiedenen Stoffen. In Raffinerien werden sie aufgetrennt. Es gibt dann Stoffe wie Diesel, Benzin, Kerosin, Heizöl und noch viele weitere. Doch diese sind dann keineswegs rein. Auch all diese Stoffe sind noch ein Gemisch aus vielen verschiedenen Molekülen, die lediglich nicht mehr ganz so unterschiedliche Eigenschaften haben wie das ursprüngliche Erdöl. Das Rohöl wird in einem ersten Schritt entsalzt und gewaschen, da das Öl oft mit Sand und Salz versetzt ist, das die Raffinerieanlagen beschädigen würde. Dieses Reinigen geht mit Hilfe von Wasser, das einerseits das Salz auflöst und andererseits nicht mit dem Rohöl mischbar ist und sich so wieder leicht trennen lässt. In einem zweiten Schritt wird das Rohöl destilliert. Dazu wird es auf rund 400° C erhitzt. Dann kommt es in einem meist etwa 50 m hohen Turm, in dem es nach oben immer kälter wird, so dass nach und nach alle Ölbestandteile kondensieren. Stoffe gleicher Siedepunkte kommen dann zusammen. Aufgabe 1: Warum ist die Reihenfolge nicht umgekehrt? Oben heiss und unten kalt wie gewohnt? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Obwohl die Gemische so bereits verwendet werden könnten, durchlaufen die Stoffe noch weitere Schritte. Ein Grund dafür ist, dass die Stoffe jetzt noch neben den reinen Kohlenwasserstoffverbindungen nun auch noch Schwefel, Stickstoff, Blei und anderes enthalten, das einerseits die Motoren schädigen würde und andererseits die Umwelt stärker belastet. Aus diesem Grund werden in verschiedenen Prozessen ein Grossteil dieser Zusatzstoffe noch entfernt. Die Aufteilung des Rohöls gibt ungefähr die folgenden Mengenanteile (Werte weichen je nach Förderort ab): Fertigprodukte Mengenanteil Flüssiggase, z.B. Propan, Butan ~ 3,0 % Rohbenzin (Naphtha) ~ 9,0 % Benzin (Otto-Kraftstoff) ~ 24,0 % Flugturbinenkraftstoff (Kerosin) ~ 4,0 % Dieselkraftstoff, leichtes Heizöl < 21,0 % schweres Heizöl ~ 11,0 % Bitumen ~ 3,5 % Schmierstoffe ~ 1,5 % Sonstige Produkte, Verluste usw. ~ 2,0 % N&T 14 Energieumwandlung 01 Nun stellt sich noch die Frage: Wie können rund 7000 verschiedene Moleküle existieren, die alle nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen? Wie sehen sie aus und wie kommt es, dass ein Molekül aus Kohlenstoff und Wasserstoff manchmal erst bei 100° C kondensiert und ein anderes schon bei 300° C? Die Antwort liegt in der sogenannten Organischen Chemie und der ganz speziellen Eigenschaft von Kohlenstoff (vergleiche Thema 5 – Periodensystem der Elemente). Kohlenstoff kann mit sich selbst eine Verbindung eingehen. Dass Kohlenstoff als Element der 4. Gruppe 4 Verbindungen haben muss, das bleibt dabei gleich. Der Wasserstoff tut bei den Kohlenwasserstoffen nichts Besonderes. Da Wasserstoff als Element der 1. Gruppe ohnehin nur ein Elektron austauschen kann, muss er an ein Kohlenstoff gebunden sein oder aber es ist ein Wasserstoffmolekül (H2 oder H – H). Die folgenden Abbildungen zeigen verschiedene Kombinationen von Kohlenstoff und Wasserstoff. Die Regel, dass Kohlenstoff vier Verbindungen haben muss und Wasserstoff nur eine, ist dabei immer eingehalten: Methan (CH4) Ethan (C2H6) Propan (C3H8) Hexan (C6H14) Die Namensgebung der Stoffe ist dabei kein Zufall, sondern geschieht nach einem fixen System: Gezählt wird nur die Anzahl der Kohlenstoffmoleküle: 1 Kohlenstoff: Meth2 Kohlenstoffe: Eth3 Kohlenstoffe: Prop4 Kohlenstoffe: But5 Kohlenstoffe: Pent6 Kohlenstoffe: Hex7 Kohlenstoffe: Hept8 Kohlenstoffe: Oct9 Kohlenstoffe: Non10 Kohlenstoffe: Dec11 Kohlenstoffe: Undec12 Kohlenstoffe: Dodec13 Kohlenstoffe: Tridec14 Kohlenstoffe: Tetradec15 Kohlenstoffe: Pentadec16 Kohlenstoffe: Hexadec20 Kohlenstoffe: Eicos30 Kohlenstoffe: TriacontDanach angehängt wird bei lauter einfachen Verbindungen ein -an. Aufgabe 2: a) Wie heisst dieses Molekül? b) ________________________ Wie heisst dieses Molekül? ________________________ Aufgabe 3: a) Zeichne ein Decan: b) Zeichne ein Heptan: N&T 14 Energieumwandlung 02 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Stoff Methan: Ethan: Propan: Butan: Pentan: Hexan: Heptan: Octan: Schmelzpunkt - 182° C - 183° C - 188° C - 183° C - 130° C - 95° C - 91° C - 57° C Siedepunkt - 162° C - 89° C - 42° C - ½° C 36° C 69° C 98° C 126° C Stoff Schmelzpunkt Decan: - 30° C Dodecan: - 10° C Pentadecan: 10° C Eicosan: 37° C Pentacosan: 54° C Triacontan: 66° C Tetracontan: 82° C Pentacontan: 94° C Siedepunkt 174° C 216° C 269° C 343° C 402° C 450° C 524° C 578° C Die Tabelle zeigt: Je länger die Kette, desto höher die Schmelz- und Siedepunkte. Aufgabe 1: a) Welche der oben genannten Ketten sind bei Zimmertemperatur (20° C) gasförmig? ________________________________________________________________________ b) Welche der oben genannten Ketten sind bei Zimmertemperatur (20° C) fest? ________________________________________________________________________ Flüssig sind die Kohlenstoffketten von Pentan bis Heptadecan. Dabei sind die längeren Ketten eher zähflüssig, während die kurzen wirklich flüssig sind. Durch die Schmelz- und Siedepunkte kommen sie in unterschiedlichen Brennstoffen vor: Erdgas: 1 – 5 Kohlenstoffe Benzin: 4 – 10 Kohlenstoffe Kerosin: 8 – 13 Kohlenstoffe Diesel: 9 – 22 Kohlenstoffe Heizöl (leicht): 10 – 25 Kohlenstoffe Heizöl (schwer): 20 – 70 Kohlenstoffe Bitumen: 35 und mehr Kohlenstoffe Durch diese einfachen Alkane hast du nun rund 70 verschiedene Moleküle kennengelernt. Es sollen aber 7000 sein! Die gibt es tatsächlich. Wie gehabt muss jedes Kohlenstoffatom vier Verbindungen haben. Bisher ist jede Verbindung zwischen den Kohlenstoffen einfach gewesen. Man könnte diese Verbindung aber auch doppelt nehmen. Dies ist tatsächlich erlaubt, wie die folgenden Abbildungen zeigen: Ethen (C2H4) Propen (C3H6) 1-Buten (C4H8) 1-Octen (C8H16) Solche Verbindungen nennt man Alkene. Aufgabe 2: Beschreibe das System, mit dem die Alkene zu ihrem Namen kommen: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ N&T 14 Energieumwandlung 02 Aufgabe 3: a) Wie heisst dieses Molekül? b) ________________________ Wie heisst dieses Molekül? ________________________ Aufgabe 4: a) Zeichne ein 1-Hexen: b) Zeichne ein 1-Penten: Neben den Alkanen und Alkenen gibt es noch die Alkine: Sicher verstehst du sofort, wie die Alkine aufgebaut sind und wie sie heissen: Ethin (C2H2) Propin (C3H4) 1-Hexin (C6H10) Die Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen den Alkanen, Alkenen und den Alkinen: Stoff Schmelzpunkt Siedepunkt Stoff Schmelzpunkt Siedepunkt Ethan: - 183° C - 89° C Hexan: - 95° C 69° C Ethen: - 170° C -104° C 1-Hexen: - 140° C 63° C Ethin: - 84° C - 84° C 1-Hexin: - 132° C 72° C Pentan: - 130° C 36° C Decan: - 30° C 174° C 1-Penten: - 138° C 30° C 1-Decen: 6° C 171° C 1-Pentin: - 106° C 34° C 1-Decin: - 44° C 175° C Aufgabe 5: a) Wie heisst dieses Molekül? b) ________________________ Wie heisst dieses Molekül? ________________________ Aufgabe 6: a) Zeichne ein 1-Butin: b) Zeichne ein 1-Octin: N&T 14 Energieumwandlung 03 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Du hast dir vorhin sicherlich die Frage gestellt, warum dort immer 1-Hexen steht und nicht einfach Hexen? Vielleicht hast du dir auch die Frage gestellt, ob die doppelte Verbindung immer am Anfang stehen muss? Die folgenden beiden Moleküle werden dir auf beide Fragen eine Antwort geben: Hexen (2-Hexen / Hex-2-en) Hexen (3-Hexen / Hex-3-en) Aufgabe 1: a) Warum gibt es kein 6-Hexen? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ b) Es gibt 1-Hexen, 2-Hexen, 3-Hexen, jedoch weder 4-Hexen noch 5-Hexen. Kannst du das erklären? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Aufgabe 2: a) Wie heisst dieses Molekül? b) ________________________ Wie heisst dieses Molekül? ________________________ Aufgabe 3: a) Zeichne ein 2-Penten (Pent-2-en): b) Zeichne ein 2-Pentin (Pent-2-in): b) Zeichne ein 3-Octin (Oct-3-in) Aufgabe 4: a) Zeichne ein 4-Nonen (Non-4-en): N&T 14 Energieumwandlung 03 Rezept zum Bestimmen / Zeichnen von Kohlenwasserstoffen: 1. Zählen der längsten Kette an Kohlenstoffen (Vorsilbe gemäss Tabelle) 2. Hat es dreifache Verbindungen (Zahl angeben + -in), doppelte Verbindungen (Zahl angeben + -en) oder nur einfache Verbindungen +an). Zählung vom Spezialende her! 3. Hat es ein Säureende COOH (+ - säure) oder hat es ein Alkoholende OH (+ -ol) 4. Angabe von zusätzlichen Enden (Zahl angeben, Vorsilbe gemäss Tabelle + -yl) Selbstverständlich gelten die gleichen Regeln auch für Moleküle, die mehrere solche Verdoppelungen haben: Aufgabe 5: a) Wie heisst dieses Molekül? b) ________________________ Wie heisst dieses Molekül? ________________________ Aufgabe 6: a) Zeichne ein 2,3-Hexen (Hex-2,3-en): b) Zeichne ein 1,3-Hepten (Hept-1,3-en): Aufgabe 7: Warum kann es ein 1,2-Pentin (Pent-1,2-in) nicht geben? Versuche, es zu zeichnen: ________________________________________ ________________________________________ Neben Alkanen, Alkenen und Alkinen gibt es noch weitere Stoffe. Die Alkune gibt es nicht, da eine Vierfachbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen zwar theoretisch möglich ist, allerdings sind wegen den maximal 4 Verbindungen dann nicht mehr als die eine Kombination möglich. Dafür gibt es die Alkohole noch, diese lassen sich ja ebenfalls zum Betrieb von Motoren verwenden. Allerdings sind Alkohole keine reinen Kohlenwasserstoffverbindungen mehr. Methanol (CH3OH) Ethanol (C2H5OH) 3-Butenol (C4H7OH) Aufgabe 8: Welche Regeln gelten für die Namen der Alkohole? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ N&T 14 Energieumwandlung 04 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Aufgabe 1: Bei Alkoholen wird die Doppelverbindung vom Alkoholende her gezählt! a) Wie heisst dieses Molekül? b) Wie heisst dieses Molekül? ________________________ ________________________ Aufgabe 2: a) Zeichne ein Pentanol: b) Zeichne ein 2-Octenol: Über die Alkohole, die mit der menschlichen Ernährung bereits etwas zu tun haben, kann man auch gleich über wechseln zu den Fetten. Ein Fett besteht im Normalfall aus einem Glycerin (Propan-1,2,3-triol) und drei daran angehängten Fettsäuren. Fettsäuren Glycerin Dabei kann man sehen, organische Säuren haben den folgenden Aufbau: Methansäure (CHOOH) Ameisensäure Ethansäure (C2H3OOH) Essigsäure 2-Butensäure (C4H5OOH) Crotonsäure Aufgabe 3: Welche Regeln gelten für die Namen der Säuren? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ N&T 14 Energieumwandlung 04 Aufgabe 4: Zeichne eine Stearinsäure (Octadecansäure), diese kommt in fast allen fetthaltigen Lebensmitteln vor: Aufgabe 5: Zeichne eine Linolsäure (9,12-Octadecaensäure), diese kommt zum Beispiel in Sonnenblumenöl vor: Wie bei den Alkoholen wird vom Säureende her gezählt! An dieser Stelle kann man auch gleich das Geheimnis um die gesättigten und ungesättigten Fettsäuren lüften. Alle Fettsäuren aus Alkanen, also ohne Doppelbindungen, sind gesättigt. Alle Fettsäuren aus Alkenen, also mit Doppelbindung, sind ungesättigt. Fettsäuren mit Alkinen (Dreifachbindungen) kommen nur äusserst selten vor, auch mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind nicht mit Alkinen, sondern sind Alkene mit mehreren Doppelbindungen. Je mehr solche Doppelbindungen, desto gesünder sind im allgemeinen die Fettsäuren. Aufgabe 6: a) Ist Stearinsäure (Aufbau siehe Aufgabe 4) eine gesättigte, einfach ungesättigte oder mehrfach ungesättigte Fettsäure? ________________________________________________________________________ b) Ist Linolsäure (Aufbau siehe Aufgabe 5) eine gesättigte, einfach ungesättigte oder mehrfach ungesättigte Fettsäure? ________________________________________________________________________ c) Ist Buttersäure (Butansäure) eine gesättigte, einfach ungesättigte oder mehrfach ungesättigte Fettsäure? ________________________________________________________________________ d) Ist Timnodonsäure (5,8,11,14,17-Eicosapentaensäure) eine gesättigte, einfach ungesättigte oder mehrfach ungesättigte Fettsäure? ________________________________________________________________________ e) Ist Nervonsäure (C24H45OOH) eine gesättigte, einfach ungesättigte oder mehrfach ungesättigte Fettsäure? ________________________________________________________________________ f) Ist Palmitinsäure (C16H31OOH) eine gesättigte, einfach ungesättigte oder mehrfach ungesättigte Fettsäure? ________________________________________________________________________ N&T 14 Energieumwandlung 05 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Übrigens haben auch alle Zuckerarten ein Grundgerüst aus Kohlenwasserstoffen, wie die Abbildung rechts zeigt, allerdings haben diese so viele Sauerstoffmoleküle innerhalb der Struktur, dass der Zusammenhang nicht mehr gut sichtbar ist. Die Zuckerstrukturen werden deshalb nicht weiter betrachtet. Wichtig ist einzig und allein, dass auch der Treibstoff für unseren Körper sehr eng mit den Kohlenwasserstoffen verknüpft ist, auch wenn neben Kohlenstoff und Wasserstoff auch noch viel Sauerstoff mit in die Ketten kommt. Das passt, denn schliesslich handelt es sich beim Erdöl auch um Überreste von Pflanzen, deren Holz und Früchte zu grossen Teilen aus zuckerähnlichen Strukturen besteht. Viel wichtiger ist dafür noch, dass die Kohlenwasserstoffe mit den Alkanen, Alkenen und Alkinen zwar komplett sind, diese allerdings nicht immer schöne Reihen bilden müssen. Der Kohlenstoff muss vier Verbindungen haben, aber es ist keine Pflicht, dass er nur mit zwei Kohlenstoffen verbunden sein muss. Es ist auch möglich, dass er sich mit drei oder sogar vier Kohlenstoffen verbindet. Damit sind innerhalb der Kohlenstoffketten auch noch Verzweigungen möglich: Isobuten (2-Methyl-1-propen) 3-Ethyl-2,4-dimethylhexan Wie du unschwer erkennen kannst, werden damit die Namen noch komplizierter. Eine Logik steckt aber auch jetzt noch dahinter, so dass wirklich jedes Molekül genau einen eindeutigen Namen hat. - Die längste Kette gibt dem Molekül den Namen. Die Zählung beginnt auf der Seite, bei der zuerst eine Verzweigung kommt. - Längere Ketten einer Verzweigung kommen zuerst, angeben zuerst die Zahl des Kohlenstoffs in der langen Ketten, dann die Länge der kurzen Kette (auch wieder mit den üblichen Vorsilben und dann ein „-yl“). - Schliesslich noch eventuelle Doppelbindungen innerhalb der Ketten. Aufgabe 1: a) Zeichne ein 3-Methyl-pentan: b) Zeichne ein 2,2-Dimethyl-propanol N&T 14 Energieumwandlung 05 Mit all diesen möglichen Verzweigungen und dann auch noch Kombinationen von Verzweigungen und Doppelbindungen steigt die Anzahl der bekannten Möglichkeiten stark an. Doch es gibt noch mehr Möglichkeiten. Man könnte zum Beispiel noch Kreise bilden: Cyclohexan Benzol Anthracen einfachere Abbildungen von Benzol Polyethylenterephthalat (PET) Damit kann man auch gleich zeigen, warum aus Kohlenwasserstoffen nicht nur die Treibstoffe hergestellt werden, sondern auch Unmengen verschiedener Plastik. Je nach Kombination hat der Stoff wieder ganz andere Eigenschaften. Doch auch mit Verzweigungen und Kreisen ist noch nicht genug. Es gibt noch einen allerletzten Unterschied, den Kohlenwasserstoffe haben können. Er betrifft alle Alkene, egal ob verzweigt, ringförmig oder schön in Reihe. Bei jeder Doppelbindung ist es möglich, dass diese Doppelbildung entweder eine Trans-Konfiguration [E oder T] (die Wasserstoffe bei der Doppelbindung auf verschiedenen Seiten) oder eine Cis-Konfiguration [Z oder C] (die Wasserstoffe bei der Doppelbindung auf der gleichen Seite) haben: trans-3-Hexen (3t-Hexen) cis-3-Hexen (3c-Hexen) Nun ist klar, warum es in Erdöl 7000 verschiedene Stoffe hat! Aufgabe 2: Zeichne eine Octadeca-9c,11t-diensäure: N&T 14 Energieumwandlung 06 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Sämtliche Verbrennungen von Kohlenwasserstoffen laufen sehr gut mit Sauerstoff. Als Endprodukte entstehen in allen Fällen im Idealfall Wasser und Kohlendioxid: CH4 (Methan) + 2 O2 CO2 + 2 H2O 2 C8H18 (Octan) + 25 O2 16 CO2 + 18 H2O Aufgabe 1: Mache die weiteren chemischen Reaktionen: a) ____ C4H10 (Butan) + ____ O2 ____ CO2 + ____ H2O b) ____ C20H42 (Eicosan) + ____ O2 ____ CO2 + ____ H2O c) ____ C6H10 (Pentin) + ____ O2 ____ CO2 + ____ H2O d) ____ C2H5OH (Ethanol) + ____ O2 ____ CO2 + ____ H2O Rein von der Schädlichkeit der Abgase ist es natürlich besser, je höher der Anteil an Wasser und je geringer der Anteil an Kohlendioxid ist. Aber nicht nur deswegen, auch die Energieausbeute pro Gewicht ist bei Wasser höher als bei Kohlendioxid. Für die Verbrennung sind also gesättigte Kohlenwasserstoffe ideal (das gilt auch für die gesättigten Fette, allerdings ist beim Menschen ja nicht Energiemangel, sondern Energieüberschuss häufig ein Problem). Tendenziell haben hier ganz kurze und lange Ketten eher besser Lange Ketten haben aber einen grossen Nachteil: Die Chance, dass die langen Ketten nicht vollständig verbrennen und dabei Russ (in Form von Cn-Partikeln) entsteht, ist ebenfalls grösser. Nicht ohne Grund brauchen Ölheizungen und Dieselmotoren einen Russpartikelfilter. Sehr lange Ketten will also überhaupt niemand. Aus diesem Grund haben Raffinerien auch damit begonnen, langkettige Kohlenwasserstoffe zu trennen um daraus kurzkettige Kohlenwasserstoffe herzustellen. Dieser Energieintensive Vorgang nennt man Cracken. C8H18 (Octan) C4H10 (Butan) + C4H8 (Buten) Da beim Cracken viele Alkene, Alkine und als Nebenprodukt auch Russ entstehen, ist gecrackter Treibstoff minderwertiger. Gewisse Raffinerien haben darum begonnen, die Alkene und Alkine mit Wasserstoff zu sättigen. Neben den vielen Nachteilen gegenüber den kurzkettigen Kohlenwasserstoffen gibt es aber auch einen grossen Vorteil. Der Wirkungsgrad von jeder sogenannten Explosionskraftmaschine ist von zwei Dingen abhängig: Vom Druckunterschied und vom Temperaturunterschied. Da man für einen maximalen Temperaturunterschied auf 0 K gehen muss und für den maximalen Druckunterschied ein Vakuum braucht, ist es schon physikalisch gesehen unmöglich, einen Wirkungsgrad von 100 % zu erreichen. Die momentanen Werte liegen bei rund: 35 % Benzinmotor mit Vergaser oder indirekter Einspritzung 40 % Benzinmotor mit Direkteinspritzung 45 % Dieselmotor mit Nebenbrennraum 50 % Dieselmotor mit Direkteinspritzung 60 % Brennstoffzelle (meist Wasserstoff) N&T 14 Energieumwandlung 06 Carnot-Kreisprozess: Dieser Kreisprozess zeigt den Ablauf zwischen Druck und Volumen innerhalb des Zylinders. Je grösser die Fläche, desto höher der Wirkungsgrad. Wie du im letzten Thema gelernt hast, erhöht ein schnell steigender Druck auch die Temperatur. Das kann zur Selbstentzündung führen, was der Leistung entgegen wirkt, wenn sie zu früh ist. Hier ist die Stärke der langkettigen Kohlenwasserstoffen. Die Temperatur, und damit auch der Druck, muss sehr hoch sein, damit es zur Selbstentzündung kommt. Aus diesem Grund werden Benzinmotoren auch nie den Wirkungsgrad von Dieselmotoren erreichen können. Benzinmotoren haben 8 bis 18 bar Druck bei 250° bis 400° C, Dieselmotoren 30 bis 50 bar bei 700° bis 900° C. Bei der Zündung wird das Gemisch in beiden Fällen rund 2000° C heiss. Bei der Verbesserung beider Motoren werden darum vor allem folgende Dinge angeschaut: Druck, Temperatur, Verbrennung aller Kohlenwasserstoffe und natürlich noch weitere Motoreigenschaften. Die Umwandlung von thermischer Energie in kinetische Energie ist jedoch nur eine Variante der Energieumwandlung. Andere Energieumwandlungen kommen ebenfalls sehr zahlreich vor: Ein Beispiel: Ein Mädchen wirft einen Ball in die Luft. Zu Beginn ist sowohl die kinetische Energie wie auch die potentielle Energie sind minimal, also Null. Erst mit der Wurfbewegung (wobei aus Wärmeenergie von Zucker oder Fett kinetische Energie der Muskulatur entsteht), erhält der Ball eine kinetische Energie. Mit steigender Höhe nimmt die kinetische Energie immer mehr ab und die potentielle Energie immer mehr zu, bis schliesslich der Punkt erreicht wird, an dem der Ball kurzzeitig am höchsten Punkt steht. Die potentielle Energie ist dann maximal, die kinetische ist minimal. Dann fällt der Ball, und bei der Fallbewegung wird die potentielle Energie bis der Ball schliesslich kurz vor dem Aufschlag wieder maximale kinetische und minimale potentielle Energie hat. Im idealisierten Fall gilt dabei immer Ekin + Epot = Etotal. Als Graph könnte man das folgendermassen aufzeichnen (durchgezogene Linie im Graph unten rechts). Der Zustand des Balls wechselt dabei immer zwischen Ekin maximaler und minimaler kinetischer Energie sowie minimaler und maximaler potentieller Energie, wobei die totale Energie immer gleich bleibt. Dieser idealisierte Fall tritt jedoch in natura nicht auf, da sowohl beim Aufprall wie auch durch den Luftwiderstand immer kleine Verluste in Form von Wärmeenergie (dazu gehört auch die Verformungsenergie) entstehen. Es entsteht ein Graph, wie er gestrichelt Epot ist. Die Gesamtenergie des Systems wird dabei immer kleiner. N&T 14 Energieumwandlung 07 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Wenn man das Beispiel vom vorherigen Blatt noch etwas genauer betrachten würde, kommt man noch darauf, dass die kinetische Energie des Balls am Boden eigentlich ebenfalls 0 sein müsste, da sich der Ball ja kurzzeitig nicht bewegt. Dort tritt noch eine dritte Energie auf: Die Spannungsenergie. Die Bildfolge unten zeigt ebenfalls einen möglichen Ablauf einer Energieumwandlung. Auch hier hat der Trampolinspringer zu Beginn eine potentielle Energie, die mit der Zeit in kinetische Energie und diese dann wiederum in Spannungsenergie umgewandelt wird. Schliesslich findet die ganze Energieumwandlung wieder in die umgekehrte Richtung statt. Nicht zu vergessen ist in allen Fällen der Energieverlust. Epot: 100 0 Ekin: Espan: 0 Eth: 0 Epot: Ekin: Espan: Eth: 70 28 0 2 Epot: Ekin: Espan: Eth: 40 56 0 4 Epot: Ekin: Espan: Eth: 10 84 0 6 Epot: Ekin: Espan: Eth: 0 0 84 16 Epot: Ekin: Espan: Eth: 10 64 0 26 Epot: Ekin: Espan: Eth: 40 32 0 28 Epot: Ekin: Espan: Eth: Epot: Ekin: Espan: Eth: 40 28 0 32 Epot: Ekin: Espan: Eth: 10 56 0 34 Epot: Ekin: Espan: Eth: 0 0 54 46 Epot: Ekin: Espan: Eth: 10 32 0 58 Epot: Ekin: Espan: Eth: 40 0 0 60 Epot: Ekin: Espan: Eth: 10 28 0 62 70 0 0 30 Die Zahlen sollen Prozentwerte der Gesamtenergie darstellen. Man kann gut sehen, dass ein doch sehr grosser Energieverlust in Form von Wärme (thermische Energie = Eth) stattfindet. Irgendwann wird alle Energie in Wärme umgewandelt sein. Erster Hauptsatz der Mechanik: Energie bleibt erhalten! Sie kann weder entstehen noch verloren gehen! (Energie wird lediglich umgewandelt.) Aufgabe 1: Ein Trampolinspringer kann aber über längere Zeit immer wieder gleich hoch wie zu Beginn springen. Auch er hat einen Energieverlust. Wie ist das trotzdem möglich? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ N&T 14 Energieumwandlung 07 Aufgabe 2: Beschreibe die folgende Energieumwandlung. Gib unter anderem an, welche Energien in den einzelnen Abschnitten stecken und wie sie umgewandelt werden: 1) 2) 3) ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 5) 7) 6) 4) 8) 9) ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Aufgabe 3: Beschreibe die abgebildete Energieumwandlung: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ N&T 14 Energieumwandlung 08 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Um Energieumwandlungen zu berechnen, kommen wieder die bekannten Formeln der Energien zur Anwendung: m D E Pot m g h E Kin v 2 E Span s 2 E Elekrisch U I t Eth W c m T 2 2 Aufgabe 1: Ein 50 kg schweres Kind hat die Feder des Trampolins (D = 25‘000 N/m) um 25 cm durchgedrückt. a) Wie hoch kann es springen? ________________________________________________________________________ b) Welche Geschwindigkeit hat es maximal (in km/h)? ________________________________________________________________________ Aufgabe 2: Eine 80 m hohe Achterbahn mit einem Eigengewicht von 20 Tonnen wird mit 5000 V Gleichstrom nach oben gezogen und dann losgelassen. Sie soll der Einfachheit halber reibungsfrei sein. a) Wie viel Ampere braucht der Motor, wenn das Hochziehen 1 Minute dauert? ________________________________________________________________________ b) Wie schnell ist die Achterbahn an der tiefsten Stelle? ________________________________________________________________________ c) Wie schnell fährt die Achterbahn über einen 50 m hohen Hügel? ________________________________________________________________________ d) Gebremst wird mit einer Induktionsbremse. Sie erzeugt beim Bremsen elektrische Energie. Welche Leistung ( P U I ) kann die Bremse einspeisen, wenn der Bremsvorgang 10 Sekunden dauert? ________________________________________________________________________ Aufgabe 3: Gehe davon aus, dass die Achterbahn einen Reibungsverlust der Gesamtenergie von 2 % je Sekunde hat. a) Die tiefste Stelle ist nach 10 Sekunden. Wie schnell ist sie noch? ________________________________________________________________________ b) Der 50 m hohe Hügel ist nach 22 Sekunden. Wie schnell ist sie noch? ________________________________________________________________________ c) Wie viel Prozent der Energie gehen während der 80 Sekunden dauernden Fahrt verloren? ________________________________________________________________________ d) Welche Leistung erbringt die Induktionsbremse am Schluss wirklich? ________________________________________________________________________ N&T 14 Energieumwandlung 08 N&T 14 Energieumwandlung 09 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Aufgabe 1: Stelle in einer Tabelle die verschiedenen Energieträger vor: Energieträger Vorteile Nachteile Holz/Biogas Erdöl/Erdgas Kohle/Torf Radioaktivität Sonne Wind Erdwärme Wasser Mond/Gezeiten Vorkommen / Menge N&T 14 Energieumwandlung 09 Aufgabe 2: Färbe auf der Vorderseite die erneuerbaren Energieträger grün, die nicht erneuerbaren rot ein. Aufgabe 3: Mit einem Leistungsmessgerät, wie es rechts abgebildet ist, lässt sich die Leistung bei verschiedenen elektrischen Geräten bestimmen. a) Bestimme die Energie, die benötigt wird, um einen halben Liter Wasser zum Kochen zu bringen, falls: - Ein Wasserkocher benutzt wird. - Ein Tauchsieder benutzt wird. - Eine Kochplatte (Heizschlange / Induktion) benutzt wird. ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ Aufgabe 4: Die Lehrperson hat einige Geräte getestet: Gerät laufend unter Volllast Standby Ausgeschaltet Desktopcomputer 105 W 150 W 15 W 9W Notebook 47 W 75 W 10 W 0W Fernseher 180 W 240 W 44 W 27 W Empfangsbox 35 W 35 W 33 W nicht möglich Stereoanlage 29 W 70 W 0W nicht möglich a) Wie viel Energie lässt sich beim Fernseher sparen, wenn man ihn ausschaltet statt im Standby belässt? Pro Tag? pro Jahr? ________________________________________________________________________ b) Wie viel ist es, wenn man ihn ganz aussteckt? Pro Tag? Pro Jahr? ________________________________________________________________________ c) Welche Kostenersparnis hat man im Jahr, wenn 1 kWh rund 15 Rappen kostet? ________________________________________________________________________ d) Berechne auch den Fall der Empfangsbox: ________________________________________________________________________ Aufgabe 5: Miss eigene Geräte zu Hause? Gerät laufend unter Volllast Standby Ausgeschaltet N&T 14 Energieumwandlung 10 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Aufgabe 1: Wo lässt sich neben dem Ausstecken von Geräten noch viel Energie sparen? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Aufgabe 2: Bestimme die folgenden Moleküle: b) a) _________________________ _________________________ d) c) _________________________ e) _________________________ f) _________________________ g) _________________________ h) _________________________ _________________________ N&T 14 Energieumwandlung 10 Aufgabe 3: a) Zeichne ein Pentan: b) Zeichne ein 1-Penten: c) Zeichne ein 2-Pentin: d) Zeichne ein 3-Pentenol: e) Zeichne eine Pentansäure: f) Zeichne ein 1,4-Penten: Aufgabe 4: Ordne die Energiemengen den Skizzen zu: ________________________________________________________________________ 1) 2) 3) 4) a) Ekin maximal b) Epot maximal c) ESpan maximal d) Ekin = Epot Aufgabe 5: Mit Hilfe einer Feder (Federkonstante 200 N/m) wird eine kleine Metallkugel (25 g) in die Höhe gespickt. Die Kugel erreicht dabei eine Höhe von 1,2 m, bevor sie wieder auf die Feder fällt. a) Welche Geschwindigkeit hat die Kugel nach dem Abschuss? ________________________________________________________________________ b) Wie stark wurde die Feder zusammengedrückt? ________________________________________________________________________ Der Energieverlust der Feder liegt bei rund 20 %. c) Wie stark wird die Feder beim Wiederkommen der Kugel zusammengedrückt? ________________________________________________________________________ d) Welche Geschwindigkeit hat die Kugel, wenn die Kugel zum zweiten Mal abgeschossen wird? ________________________________________________________________________ e) Wie hoch kommt die Kugel beim zweiten Mal? ________________________________________________________________________
