La notion d`énergie : un concept délicat à définir…

Die Energie ist in dir (Seiten 2 und 3 der Broschüre „Du und die Energie“)
Der Energiebegriff – ein schwierig zu definierendes Konzept…
Vorstellungen, welche bei Schülerinnen und Schülern.... sowie bei Erwachsenen fest
verankert sind.
a) Man spricht zum Beispiel häufig von Energie-„Quellen“. Dieser Begriff könnte vermuten
lassen, dass Energie spontan irgendwo entsteht, dass sie wie Wasser aus einer Quelle
herausströmt.
In Wirklichkeit wird Energie weder „erzeugt“, noch „entspringt“ sie von irgendwoher – vielmehr
wird sie immer von einer Energieform in eine andere umgewandelt.
Schauen wir uns einige Beispiele an:
-
Wenn eine Kerze brennt, wird die in ihr enthaltene chemische Energie umgewandelt in:
o Wärmeenergie einerseits (durch Wärmeabgabe), und
o Lichtenergie andererseits (sichtbar in der Flamme).
Schlägt man beim Squash einen Ball gegen eine Wand, spürt man, dass sich dieser
erwärmt. Hier wird kinetische Energie (aufgrund der Bewegung des Balles) in
Wärmeenergie umgewandelt.
Steckt man den Stecker einer Bohrmaschine in eine Steckdose, kann man bewirken, dass
sich der Bohrer dreht: Elektrische Energie wird in mechanische Energie (der Bohrer
dreht sich) und teilweise auch in Wärmeenergie umgewandelt (Bohrer und
Bohrmaschinenmotor erwärmen sich).
b) Mit dem Konzept von Energie-„Quellen“ ist die Vorstellung verknüpft, dass Energie versiegt
oder abnimmt.
Wie wir gesehen haben, wird z.B. beim Abbrennen einer Kerze eine Form von Energie in eine
andere umgewandelt. Doch es geht keine Energie „verloren“! Vielmehr liegt nach dem
Abbrennen einfach mehr Energie in thermischer als in chemischer Form vor.
Spricht man von einer unerschöpflichen Energie-„Quelle“ (z.B. Solarenergie), bedeutet dies in
Wirklichkeit, dass der in der Sonne (wo komplexe Reaktionen ablaufen) als Kernenergie
vorliegende Energiebestand so gross ist, dass selbst wenn ein Teil dieser Energie in Lichtenergie
umgewandelt wird, noch genügend Energie übrigbleibt, damit diese Umwandlung während
Millionen von Jahrtausenden weiter stattfinden kann…
c) Die Umgangssprache kann täuschen…
Sagt man, jemand habe Energie, denkt man sofort an eine aktive, dynamische Person, die sich
sicher viel bewegt.
Tatsächlich können auch unbewegliche und scheinbar reglose Substanzen grosse Mengen an
Energie enthalten. So kann zum Beispiel ein Liter Benzin im Tank eines stehenden
Kraftfahrzeuges seine chemische Energie sowohl in mechanische (d.h. das Fahrzeug bewegt sich
vorwärts) als auch in Wärmeenergie (der Fahrzeugmotor erwärmt sich) umwandeln.
E-Dossier 1
Die Energie ist in dir (Seiten 2 und 3 der Broschüre „Du und die Energie“)
Woher stammt die in Nahrungsmitteln enthaltene Energie?
Nahrungsmittel enthalten Energie in Form von chemischen Substanzen. Man darf sich hier
allerdings nicht vorstellen, dass den Nahrungsmitteln„Chemikalien“ anhaften, die für deren
Energiewert oder „Brennwert“ verantwortlich sind!
Tatsächlich besteht diese Materie (wie jede Art von Materie – der Tisch, die Gabel, der Teller, die
Luft, das Wasser, der Boden und wir selbst) aus Atomen. In der Natur kommen etwa hundert
verschiedene Arten von Atomen vor. Bleibt zu erwähnen, dass die unendliche Vielfalt der uns
umgebenden Welt in verschiedenen Kombinationen dieser etwa einhundert Atomarten
begründet ist.
Wie alles andere bestehen auch Nahrungsmittel aus Atomen. Diese können sich zu Molekülen
zusammenschliessen. Dazu bilden sie Atomverbindungen – man spricht hier von chemischen
Verbindungen.
Chemische Energie wird auf dieser Ebene der chemischen Verbindungen gespeichert.
Beim Essen nehmen wir Nährstoffe und somit Moleküle auf. In unserem Körper laufen
chemische Umwandlungsprozesse ab: chemische Verbindungen zwischen gewissen Atomen
werden aufgebrochen, andere werden gebildet, die Atome fügen sich zu anderen Molekülen neu
zusammen.
Einen Teil dieser Energie aus aufgebrochenen chemischen Verbindungen können wir
unmittelbar nutzen, da sich dank dieser Energie unsere Muskeln zusammenziehen können – so
können auf ein Fahrrad aufsteigen, einen Hang hinaufklettern, schwitzen, das Licht am Fahrrad
einschalten, und vieles mehr.
Wenn wir uns ernähren, wandeln wir also chemische Energie, die in den Verbindungen
zwischen den Atomen, aus denen unsere Nahrung besteht, gespeichert ist, in Muskelkraft,
mechanische, thermische und Lichtenergie um…
Allgemeine Hinweise
a) Der Energiebedarf unterscheidet sich von einem Kind zum anderen. Ein sehr sportlicher
Schüler hat einen höheren Energiebedarf als ein Schüler, welcher häufig vor dem Fernseher
sitzt.
b) Man muss aufpassen, weder übergewichtige noch magersüchtige Schülerinnen und Schüler zu
stigmatisieren!
c) Die internationale Einheit für Energie ist das Joule (Symbol: J).
Bei der Ernährung sprach man üblicherweise von Kalorien. Wenn man von einer Mahlzeit mit
2'000 Kalorien sprach handelte es sich in Wirklichkeit um 2'000 Kilokalorien (kcal).
Zurzeit ist der Energiegehalt von Nahrungsmitteln auf den Verpackungen in kJ (Kilojoule)
angegeben.
Kilojoule werden wie folgt in Kilokalorien umgerechnet:
4,18 kJ = 1 kcal.
Eine Mahlzeit à „2'000 Kalorien“ entspricht also einem Energiegehalt von 8'360 Kilojoules (kJ).
d) Hinsichtlich des experimentellen Teils:
- Es gilt zu beachten, dass Nüsse viel Fett enthalten: im Durchschnitt bestehen sie zu 60% aus
Fett. Nüsse sind daher sehr energiereich: ca 2'400 kJ je 100 g. Vorsicht: Nüsse höchstens zwei
Minuten lang rösten lassen. Es lässt sich problemlos ein Anstieg der Wassertemperatur
feststellen.
Dieses Experiment zeigt, dass Nahrungsmittel Energie enthalten, da sich die in Nüssen
enthaltene chemische Energie teilweise in Wärmeenergie umwandelt, die das Wasser erwärmt.
E-Dossier 1
Die Energie ist in dir (Seiten 2 und 3 der Broschüre „Du und die Energie“)
Ein weiterer Teil der chemischen Energie des Nahrungsmittels wird in Lichtenergie
umgewandelt, die als Flamme sichtbar wird.
- Anstelle der Nuss kann ein Teelicht zum Warmhalten von Speisen verwendet werden. Um den
Schülern die Umwandlung der Energie von einer Form in eine andere zu vermitteln, kann man
vor und nach dem Versuch die Masse des Teelichts bestimmen. Man muss eine Waage mit einer
Genauigkeit von einem Zehntel-Gramm verwenden. Lässt man das Teelicht zwei Minuten lang
brennen, kann man feststellen, dass sich dessen Masse verringert. Hier hat eine chemische
Reaktion stattgefunden: ein Teil des Teelichts hat sich mit dem Luftsauerstoff (O2) zu
Kohlendioxid (CO2) bzw. zu Wasserdampf (H2O) verbunden. Atombindungen zwischen
Atombestandteilen des Teelichts wurden aufgebrochen, und die in ihnen gespeicherte
chemische Energie wurde in Lichtenergie (Kerzenflamme) und Wärmeenergie (zur Erwärmung
des Wassers im Behälter) umgewandelt.
e) Man kann die Schülerinnen und Schüler auffordern, die Energiewerte auf
Nahrungsmittelverpackungen abzulesen und zu vergleichen (z.B. gezuckerte mit ungezuckerten
Getränken).
E-Dossier 1