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Energieumwandlung durch physikalische ARBEIT
Der Begriff "Energie" oder von ihm abgeleitete Begriffe kommen in unserer Sprache
sehr häufig vor und weisen schon auf die große Bedeutung dieses Begriffes hin. Hier
nur einige Beispiele:
Heizenergie, Energiekrise, Energiereservoir, kriminelle Energie, Energiesparen,
Kernenergie, energiegeladen, Energiequelle, Energieverlust, Energieriegel. . . .
In der Physik unterscheidet man verschiedene Energieformen.
Beispiele: 01 Bewegungsenergie (mechanische Energie), 02 Lageenergie
(Potentielle Energie), 03 Verformungsenergie (Spannungsenergie), 04 Wärme
(thermische Energie), 05 chemische Energie, 06 elektrische Energie,
07 Strahlungsenergie („Lichtenergie“), 08 Kernenergie.
Bisherige besprochenen Formeln:
02 Lageenergie: ΔEpotentielle =
04 Wärme:
ΔEWärme =
mit c = 4184 J/kcal
Der griechische Ursprung des Wortes "Energie" ist "energeia" und bedeutet soviel
wie "das Treibende". Energie ist notwendig, dass Vorgänge überhaupt ablaufen. Man
könnte Energie als "Treibstoff" für den jeden Ablauf bezeichnen.
Das Leben besteht aus Energieumwandlung.
Praktisch jede technische Einrichtung wandelt eine Energieform in eine andere um.
Aus einer Ausgangs-Energie wird (eventuell über mehrere Umwandlungen) eine ZielEnergie, das heisst die gewünschte Energieform, hergestellt. Wir reden hier auch
von Energieumwandlungsketten.
Ausgangspunkt der von uns genutzten Energieumwandlungsketten ist meistens die
SONNE und zu einem kleineren Teil die Kernenergie und die Erdwärme.
Über den natürlichen Wasserkreislauf können wir via Wasserkraftwerke die
Sonnenenergie nutzbar machen.
Bei der Energieumwandlung bei Lebewesen (= Lebensprozesse) spielt die
PHOTOSYNETHESE die zentrale Rolle. Sie ist der Startpunkt praktisch aller
Nahrungsketten.
Wir haben bereits besprochen, dass Energie weder _____________ noch vernichtet,
sondern immer nur umgewandelt wird (= 1. Hauptsatz der Thermodynamik
(„Wärmelehre“)).
Leider ist es nun so, dass die Ausgangs-Energie in der Regel nicht vollständig in die
Ziel-Energie umgewandelt werden kann. Ein Teil wird praktisch immer in
___________ umgewandelt (= 2. Hauptsatz der Thermodynamik)
EAusgang è EZiel + Wärme
Unser Energieproblem hat seinen Ursprung darin, dass die bei
Energieumwandlungen entstehende Wärme in der Regel nicht mehr weiter
umgewandelt werden kann. Das heisst, dass in einer Energieumwandlungskette der
Anteil an nutzbarer Energie permanent abnimmt.
Aufgabe: Erstellen sie für den Stirlingmotor eine Energieumwandlungskette.
Der Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad beschreibt, in welchem Ausmass eine natürliche oder technische
Einrichtung eine Ausgangs-Energie in die gewünschte Energieform (Ziel-Energie)
umwandelt.
𝜂=
#$%&'
#()*+,-+
Wirkungsgrade liegen immer zwischen 0 und 1 bzw. zwischen 0 und
100%.
Wann ist dann die Einrichtung effizient?
Wirkungsgrade von ...
Motoren (Ziel = Bewegungsenergie)
Kraftwerken (Ziel = elektrische Energie)
Elektromotor
Wasserkraftwerke
über 0.90
über 0.90
Benzin- und Dieselmotoren
bis ca. 0.35
Windkraftwerke
bis ca. 0.50
Dampfmaschinen
bis ca. 0.15
Thermische Kraftwerke inkl.
AKW
bis ca. 0.40
Solarzellen (Photovoltaik)
bis ca. 0.15
Nicht der Wirkungsgrad alleine bestimmt über die Nützlichkeit einer technischen
Einrichtung.
Aufgabe: Was könnten noch wichtige Kriterien sein?
Für eine ökonomische Speicherung von Energie eignen sich chemische und
elektrische Energie. Beim Verhältnis von gespeicherter Energiemenge zu
notwendigem Speichervolumen und Speichergewicht ist chemische Energie
unschlagbar.
Da chemische Energie vor allem durch Verbrennungsprozesse umgewandelt wird,
haben wir ein CO2-Problem.
Eine ortsgebundene Form von nutzbarer Energiespeicherung ist die Lage-Energie.
Wasserkraftwerke speichern durch Wasser-Staudämme Energie und können diesen
Speicher jederzeit und in unterschiedlichem Ausmass anzapfen.
Aufgabe: Elektrischer Wasserkocher mit Strom vom Stausee
Der Schweizer Stausee "Grande Dixence" ist mit einer Höhe von 285 m der höchste
der Welt. Welche Menge Wasser muss von diesem Stausee durch die Turbinen
abgelassen werden, um in einem elektrischen Wasserkocher einen Liter 20°C kalten
Wassers zum Kochen zu bringen, wenn das Wasser bei 100°C anfängt zu kochen?
Tipp: Welche Energieformen werden hier umgewandelt?
Zusatzfrage: Entspricht die berechnete Wassermenge der tatsächlich benötigten
Wassermenge?
Energieumwandlung durch physikalische Arbeit
In der Physik bezeichnen wir die Umwandlung von Energie als Arbeit. Wenn wir
beispielweise Wasser in einen Staudamm pumpen vergrössern wir die potentielle
Energie des Wassers.
Physikalische Arbeit geschieht immer dann, wenn bei einer Bewegung eine Kraft
über eine bestimmte Wegstrecke auf einen Körper einwirkt.
𝑊 = 𝐹 ∙ Δ𝑠
Einheit = N · m = Nm = Joule = J
3 wichtige Beispiele:
a) Ein Körper wird gegen seinen Bewegungswiderstand mit konstanter
Geschwindigkeit über eine bestimmte Wegstrecke gezogen. Die AusgangsEnergie der Zugmaschine wird dabei in Wärme (thermische Energie)
umgewandelt. Diese Form von Energieumwandlung ist zu 100% nicht
umkehrbar (nicht reversibel). Die Energiekette ist zu Ende. Deshalb ist die
Technik bestrebt, Bewegungswiderstände zu minimieren.
b) Ein Körper wird gegen seine Gravitation in die Höhe befördert. Die
Ausgangs-Energie wird dabei in Lage-Energie (Potentielle Energie)
umgewandelt. Diese Lage-Energie kann beim nachfolgenden
„Herunterkommen“ wieder genutzt werden. Beispiel Eisenbahn und
Seilbahn. 𝑊345 = 𝐹6 ∙ Δℎ
c) Ein Körper wird über eine bestimmte Wegstrecke aus der Ruhe auf eine
bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt. Die Ausgangs-Energie wird dabei
in Bewegungs-Energie (Kinetische Energie) umgewandelt. Die BewegungsEnergie kann z.B. bei bestimmten Elektro-Autos beim Bremsen wieder
genutzt werden. 𝑊89:;<=. = 𝐹 ∙ Δ𝑠 = 𝑎 ∙ 𝑚 ∙ Δ𝑠 =
AB
AC
∙𝑚∙
AB∙AC
D
=
E∙AB F
D
VORSICHT: Die Begriffe „Kraft", „Arbeit" und „Energie“ liegen im alltäglichen
Leben nahe beieinander. In der Physik werden sie klar voneinander unterschieden.
Aufgaben: Wirkungsgrad
01 Ein Elektromotor wandelt mit einem Wirkungsgrad von 86% elektrische Energie in
kinetische Energie um. Der Motor läuft während einer Stunde. Dabei beträgt der
gesamte Energieumsatz 4800 J.
a) Welcher Anteil der Energie wird in kinetische Energie umgesetzt?
b) Welcher Anteil der Energie wird in Wärme umgesetzt?
02 Ein Verbrennungsmotor wandelt 12500 J chemische Energie in 3886 J
Bewegungsenergie um. Wie gross ist sein Wirkungsgrad?
03 Bei einer Energieumwandlungskette finden drei Energieumwandlungen statt. Aus
der Zielenergie der ersten Umwandlung wird dabei die Ausgangsenergie der
zweiten Energieumwandlung und aus der Zielenergie der zweiten
Energieumwandlung wird die Ausgangsenergie der dritten Energieumwandlung.
Wenn die Ausgangsenergie der ersten Energieumwandlung 100'000 J beträgt,
wie gross ist dann die Zielenergie der dritten Umwandlung, wenn die
Wirkungsgrade der drei Energieumwandlungen ...
a) 30, 45 und 60% betragen.
b) drei Mal 45% betragen.