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Grundlagen der Thermodynamik, Physik und Energietechnik Abstract / Zusammenfassung des Lernfelds Das zentrale Thema vieler globaler Herausforderungen ist Energie und ihre Bereitstellung. Das vorliegende Lernfeld führt in die technischen Grundlagen ein, die für die Umwandlung von Energie wesentlich sind. Die unterschiedlichen Energieformen werden ebenso erklärt wie die verschiedenen Maßeinheiten zu deren Quantifizierung. Mit der Thermodynamik werden die fundamentalen Gesetzmäßigkeiten der Energieumwandlung beschrieben, vom Prinzip der Energieerhaltung bis zur Unterscheidung von Energieformen nach ihrer technischen Arbeitsfähigkeit (Exergie/Anergie). Abschließend werden die erneuerbaren Energieformen in ihrem Zusammenhang mit den primären Energiequellen dargestellt. 1 Inhaltsverzeichnis 1. LERNZIELE ..................................................................................................................................... 4 2. ZUM NACHDENKEN ... .................................................................................................................. 4 3. EINLEITUNG ................................................................................................................................... 5 4. IN WELCHER FORM TRITT ENERGIE AUF? ............................................................................... 8 4.1. Mechanische Energie ............................................................................................... 9 4.2. Elektrische Energie .................................................................................................. 9 4.3. Magnetische Energie ..............................................................................................11 4.4. Strahlungsenergie ...................................................................................................12 4.5. Chemische Energie .................................................................................................12 4.6. Kernenergie ............................................................................................................12 4.7. Thermische Energie (Wärmeenergie)......................................................................13 4.8. Zum Üben... ............................................................................................................13 5. WELCHE MAßEINHEITEN FÜR ENERGIE GIBT ES?................................................................ 15 5.1. Zum Üben... ............................................................................................................17 6. WIE WIRD ENERGIE BERECHNET? .......................................................................................... 18 6.1. Berechnung von potenzieller Energie ......................................................................18 6.2. Berechnung von kinetischer Energie .......................................................................21 7. HAUPTSÄTZE DER THERMODYNAMIK .................................................................................... 23 7.1. 1. Hauptsatz der Thermodynamik ...........................................................................24 7.2. 2. Hauptsatz der Thermodynamik ...........................................................................25 7.3. Zum Üben... ............................................................................................................27 8. ERNEUERBARE ENERGIE UND IHRE FORMEN ...................................................................... 28 8.1. Die Sonne als Energiequelle ...................................................................................28 8.2. Die Erde als Energiequelle ......................................................................................29 8.3. Wie wird erneuerbare Energie umgewandelt und nutzbar gemacht? .......................29 8.4. Zum Üben... ............................................................................................................30 9. 10. QUELLEN...................................................................................................................................... 31 ÜBERSICHT AUFGABEN ........................................................................................................ 32 2 11. ABBILDUNGSVERZEICHNIS .................................................................................................. 34 12. TABELLENVERZEICHNIS ....................................................................................................... 34 13. IMPRESSUM ............................................................................................................................. 35 3 1. Lernziele Die wichtigsten technischen Energieformen nennen Verschiedene technische Energieformen beschreiben Maßeinheiten für Energie zuordnen Für die Energietechnik wichtige Energieformen berechnen Die ersten zwei Hauptsätze der Thermodynamik erklären Die Zusammenhänge zwischen den Formen erneuerbarer Energie und ihre primären Quellen darstellen 2. Zum Nachdenken ... Aufgabe 1: Welche Formen von Energie kennen Sie aus Ihrem Alltag? Abbildung 1: Die Übertragung von Wärmeenergie – beschrieben im 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT) 4 3. Einleitung Als Einstieg in die Thermodynamik und die Energietechnik ist es hilfreich, sich die Frage zu stellen, was denn eigentlich Energie ist. Schauen Sie nach auf YouTube! Was ist Energie? Dauer: 3:38 min. Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=2qFLhKayuyQ Eine eindeutige Antwort auf die Frage „Was ist Energie?“ ist nicht so einfach. Auch nicht eindeutig ist, welche wissenschaftliche Disziplin sich vorrangig mit Energie beschäftigt. Dies hat unter anderem damit zu tun, dass alle Organismen Energie benötigen, Energie für alle Veränderungen notwendig ist und dass Energie in sehr unterschiedlichen Formen vorkommt und dementsprechend im Alltag auch unterschiedlich wahrgenommen wird. Beispiele sind Strom (Übertragung elektrischer Energie), Warmwasser (Wärmeenergie), ein Schwungrad (kinetische Energie) und Brennstoffe (chemisch gebundene Energie). Pflanzen wiederum wandeln Strahlungsenergie in chemische Energie um. In der Biomasse ist also chemische Energie gespeichert. Kurz: Energie bestimmt sämtliche Aspekte unseres Lebens. Entsprechend diesem „Charakter“ von Energie beschäftigen sich neben der Physik auch die Biologie und die Chemie mit ihr. Was ist Energie im physikalischen Sinne? Die Energie ist eine fundamentale physikalische Größe, die immer in Zusammenhang mit einer Wirkung steht. Energieumwandlung ist der Kernprozess jeder Wirkung und somit die wesentliche Größe alles Lebens und jeder Veränderung. Durch diese Eigenschaft definiert sich auch ihr wirtschaftlicher Wert. Energie ist die Voraussetzung dafür, dass Veränderungen stattfinden, wobei der Grundsatz gilt, dass Energie weder erzeugt noch verbraucht werden kann. Energie wird immer nur umgewandelt, transportiert oder gespeichert. Energie tritt in vielen Energieformen auf und kann wiederum durch Umwandlung in andere Formen gebracht werden. 5 Was ist ein physikalisches System? Als (thermodynamisches) System wird in der Physik ein abgegrenzter Bereich bezeichnet, wobei das Ziehen von Systemgrenzen nicht immer einfach ist. Je nach Art der Abgrenzung wird von offenen und geschlossenen bzw. abgeschlossenen Systemen gesprochen. Bei offenen Systemen findet sowohl Energie- als auch Stoffaustausch statt. Ein anschauliches Beispiel für ein offenes physikalisches System ist der offene Topf mit kochendem Wasser. Bei einem geschlossenen System findet ein Energieaustausch statt, aber kein Stoffaustausch. Ein Beispiel dafür ist ein Zylinder eines Stirlingmotors. Bei abgeschlossenen Systemen finden weder Energie- noch Stoffaustausch statt. Dabei handelt es sich allerdings um vereinfachte „Idealmodelle“, welche in der Natur nicht vorkommen. Ein Beispiel dafür ist ein isoliertes, abgeschlossenes Gefäß. Die Gesamtenergie bleibt gleich (Energieerhaltungsgesetz). Energie kann auch als Zustandsgröße eines physikalischen Systems definiert werden, das heißt, man kann durch sie ein physikalisches System beschreiben. Mathematisch beschreiben kann man ein System durch sogenannte Zustandsgleichungen. Unter dem Zustand eines physikalischen Systems ist der innere Zustand eines Systems zu verstehen. Charakterisiert wird dieser durch Zustandsgrößen wie die (innere) Energie, wobei extensive und intensive Zustandsgrößen unterschieden werden. Extensive Zustandsgrößen sind unter anderem das Volumen, die Stoffmenge, die Masse, die innere Energie, Enthalpie (Wärmeinhalt) und Entropie. Diese Zustandsgrößen bleiben konstant, wenn sich ein System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Wird aber einem System beispielsweise Wärme zugeführt, so erhöht sich die innere Energie. Intensive Zustandsgrößen sind systeminterne Größen wie Temperatur oder Druck. Das charakteristische an den intensiven Zustandsgrößen – im Gegensatz zu den extensiven – ist, dass sie von der Größe eines Systems unabhängig sind. Wenn sich in einem physikalischen System etwas ändert, dann spricht man von einem thermodynamischen Prozess. Beschrieben werden kann ein Prozess durch sogenannte Prozessgrößen: Wärme und Arbeit. Arbeit kann beispielsweise in Form von mechanischer Arbeit oder Volumenarbeit verrichtet werden. Physikalische Systeme und energiewandelnde Prozesse sind vor allem dann von Interesse, wenn es um die Frage geht, Energie zu nutzen. Energie kann auch als jene Menge an Arbeit bezeichnet werden, die ein System verrichten kann. Jener Teil der Energie, der in eine andere Energieform umwandelbar ist, der Arbeit verrichten kann, wird Exergie genannt. Wesentlich ist: Wie groß der Anteil der Exergie ist, hängt vom Zustand eines Systems und von dessen Umgebung ab. 6 Die Anergie hingegen ist die „nicht arbeitsfähige Energie“. Wichtig: Sie kann nicht in Exergie umgewandelt werden. Mit den Begriffen Exergie und Anergie können die ersten beiden Hauptsätze der Thermodynamik beschrieben werden. Schauen Sie nach auf YouTube! Einführung in Exergie & Anergie Dauer: 10:00 min. Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=TcsrT7n-Kog Exergie wird auch als der „nützliche“ Teil der Energie bezeichnet. Elektrische Energie ist reine Exergie und daher eine hochwertige Energieform. Die Exergie ist daher für die Bewertung der „Qualität“ von Energieformen wesentlich. 7 4. In welcher Form tritt Energie auf? Energie kann nicht verbraucht oder vernichtet werden. Wir sprechen deshalb von Energie als einer universellen Größe, die nur in unterschiedlichen Formen auftritt. Folgende technische Energieformen kennen wir: Abbildung 2: Energieformen und Beispiele für Umwandlungsmöglichkeiten (Quelle: GrAT) Engergieformen und Thermodynamik: Eine Einführung in den ersten Hauptsatz der Thermodynamik Abbildung 3: Thermodynamik (Quelle: http://www.thermobestehen.de/lektion_1hs.html) 8 4.1. Mechanische Energie Unter mechanischer Energie verstehen wir die in Körpern gespeicherte Energie. Energie kann ein Körper durch seine Lage oder durch seine Bewegung speichern. Die in der Lage gespeicherte Energie wird als potenzielle Energie bezeichnet, das klassische Beispiel ist ein Körper im Gravitationsfeld unserer Erde. Ein Körper in einer bestimmten Höhe hat das „Potenzial“, diese Energie in andere Formen umzuwandeln, sobald er die Höhe verändert. Das führt uns zur zweiten mechanischen Energieform, der sogenannten kinetischen Energie, die in der Bewegung eines Körpers liegt (von griechisch kinesis = Bewegung). In der kinetischen Energie (Bewegungsenergie) eines Körpers ist die gesamte Arbeit gespeichert, die bei der Beschleunigung aufgewendet wurde. Kinetische Energie liegt aber nicht nur in festen Körpern vor, die sich linear bewegen, sondern auch in rotierenden Körpern und ganz allgemein auch in strömenden Massen wie Flüssigkeiten und Gasen. Eine besondere Form mechanischer Energie liegt in einer Schwingung vor. Hier wird die Energieform in einem zeitperiodischen Ablauf zwischen der potenziellen Energie und der kinetischen Energie umgewandelt. Das Beispiel eines Pendels zeigt das sehr anschaulich. Zum Zeitpunkt des oberen Totpunktes liegt keine Bewegung vor, also ist die gesamte Energie als potenzielle Energie gespeichert. Diese potenzielle Energie ist am tiefsten Punkt vollkommen in kinetische Energie umgewandelt. 4.2. Elektrische Energie Die elektrische Energie ist die Energie, die im elektrischen Feld von ruhenden Ladungsträgern liegt. Gehen wir von einem Zustand aus, in dem Ladungsträger unterschiedlicher Polarität gleich verteilt sind, beispielsweise in einem elektrischen Leiter. Die positiven und negativen Ladungen heben sich gegenseitig auf, es herrscht Gleichgewicht. Werden nun Ladungsträger unterschiedlicher elektrischer Polarität räumlich getrennt, baut sich ein elektrisches Feld auf. Dieses elektrische Feld verursacht eine Kraft auf die Ladungsträger, die der Ladungstrennung entgegenwirkt. Diese Kraft und damit die elektrische Energie ist in der Lage der Ladungsträger und dem korrespondierenden elektrischen Feld gespeichert. Das ist vereinfacht vergleichbar mit der potenziellen Energie, die in einem Körper gespeichert ist, der entgegen dem Kraftfeld der Gravitation (also seinem Gewicht) gehoben wurde. 9 Elektrische Energie in einem Kondensator Anwendung findet die Energieform der elektrischen Energie in einem elektrischen Kondensator zum Zweck der Energiespeicherung. Der Kondensator ist eine Anordnung aus zwei Leitern mit großer Fläche, die einander in geringem Abstand gegenüberstehen, getrennt durch eine möglichst dünne, isolierende Schicht. Abbildung 4: Stromfluss durch einen Kondensator (Quelle: SiriusA; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Kapacitans.svg&filetimestamp=20111019164540) Wird die Dichte der Ladungsträger durch einen Strom zwischen den beiden, meist plattenförmigen Leitern aus ihrem Gleichgewicht gebracht, entsteht ein elektrisches Feld zwischen den Platten, das als elektrische Spannung messbar ist. Diese Energie bleibt so lange erhalten, bis durch einen elektrischen Strom zwischen den beiden Leitern das Ladungsträgergleichgewicht wieder hergestellt wird. 10 4.3. Magnetische Energie Die Energie, die in einem magnetischen Feld liegt, wird als magnetische Energie bezeichnet. Da ein magnetisches Feld immer im Zusammenhang mit elektrischen Strömen steht, ist die magnetische Energie auch die Energieform der bewegten Ladungsträger. Bei quantenmechanischer Betrachtung ist auch das Magnetfeld von Permanentmagneten auf die Bewegung von Ladungsträgern, den sogenannten Spin zurückzuführen. Die 1. Maxwell-Gleichung der Elektrotechnik beschreibt, dass die Bewegung von elektrischen Ladungsträgern ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld rotiert um den Bewegungsvektor des Ladungsträgers. Die 2. Maxwell-Gleichung beschreibt, dass eine Änderung des Magnetfeldes ein elektrisches Feld verursacht. Die Kombination beider Effekte bewirkt, dass die Bewegung von elektrischen Ladungsträgern eine gewisse mechanische Trägheit erfährt. Wird nämlich ein Ladungsträger in Bewegung gesetzt, erzeugt er ein entsprechend seiner Geschwindigkeit steigendes Magnetfeld (1. Maxwell-Gleichung). Diese Magnetfeldänderung wiederum bewirkt nach der 2. Maxwell-Gleichung ein elektrisches Feld, das genau der Bewegung des Ladungsträgers entgegenwirkt (nicht nur gegen die Beschleunigung, sondern auch gegen die Verzögerung eines Ladungsträgers). Die Bewegung von Ladungsträgern und das von ihnen erzeugte Magnetfeld bleiben also erhalten, die im Magnetfeld enthaltene Energie bleibt gespeichert. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn die Bewegung von Ladungsträgern, also elektrischer Strom, durch besondere geometrische Anordnung mehrfach in einer Richtung entlang geführt wird. Elektrische Spulen und Drosseln sind die Hauptanwendung dieses Effektes. Bei der Spule wird das erzeugte Magnetfeld vervielfacht und auch die Wirkung des erzeugten elektrischen Feldes. Energietransport Die Bedeutung der elektrischen und der magnetischen Energieform liegt nicht hauptsächlich in der Möglichkeit, sie lokal zu speichern, sondern vielmehr darin, dass elektrische Energie über elektrische Leitungen einfach zu übertragen ist. Ein interessantes Kuriosum in diesem Zusammenhang ist, dass die elektrische Energie nicht in der Leitung selbst übertragen wird, sondern im elektrischen und magnetischen Feld zwischen den Leitern. Der sogenannte Poynting-Vektor beschreibt Richtung und Größe dieses Energieflusses und ist das Kreuzprodukt aus elektrischer und magnetischer Feldstärke. 11 4.4. Strahlungsenergie Die zur Erklärung der magnetischen Energie zitierte 1. Maxwell-Gleichung hat noch einen weiteren Term. Nicht nur elektrischer Strom kann ein Magnetfeld verursachen, sondern auch die zeitliche Veränderung der elektrischen Feldstärke. Ohne im Detail darauf weiter einzugehen, beschreibt dies das physikalische Prinzip der Energieübertragung ohne elektrischen Strom, also tatsächlich ohne elektrischen Leiter. Damit sind die elektromagnetischen Wellen oder die elektromagnetische Strahlung gemeint. Je nach Frequenz und Wellenlänge sind das Radiowellen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung. In der Energietechnik ist die Wärmestrahlung von besonderer Bedeutung, sie überträgt Energie in thermodynamischen Prozessen, insbesondere bei allen Verbrennungsprozessen. Die Sonnenenergie als wichtigste erneuerbare Energieform breitet sich als Strahlungsenergie mit einem sehr breiten Frequenzspektrum aus, nur eine geringe Bandbreite kommt durch die Atmosphäre auf den Erdboden. Wir kommen später noch auf die Sonnenenergie und ihre Nutzung zurück. 4.5. Chemische Energie Die chemische Energie liegt in der Bindungsenergie der zu Molekülen vereinigten Atome. Je nach der chemischen Stabilität der betrachteten Stoffe ist sie eine gut speicherbare Energieform. Sie wird meist in Form von Reaktionswärme bei chemischen Reaktionen zugeführt oder freigesetzt. Die Reaktionswärme, die bei der Verbrennung freigesetzt wird, wird als Heizwert eines Stoffes beschrieben. Brennstoffe enthalten demnach chemische Energie, die für die Umwandlung in Wärmeenergie (thermische Energie) genutzt werden kann. 4.6. Kernenergie Kernenergie entsteht aus der Bindungsenergie der Bausteine von Atomkernen (also der Nukleonen, das sind Protonen und Neutronen). Zwischen den elektrisch positiv geladenen Protonen wirkt eine abstoßende Kraft, die Coulombkraft. Sie allein würde bewirken, dass der Kern zerfällt. Verhindert wird das durch die sehr starke anziehende Kernkraft, die auf alle Kernbausteine, also auf Protonen und Neutronen, wirkt. Die Kernkraft wird allerdings schwächer, je größer der Abstand zwischen den Nukleonen ist. Die gesamte Bindungsenergie ist die Arbeit, die aufgewendet werden müsste, um den Kern in seine Bestandteile zu zerlegen. Diese Bindungsenergie ist abhängig von der Größe des Atomkernes. 12 Kleine Atomkerne haben wenige Nukleonen, ihre Bindungsenergie wird hauptsächlich von der starken und im Nahbereich wirkenden Kernkraft geprägt. Die gesamte Bindungsenergie steigt mit jedem zusätzlichen Nukleon. Bei größeren Atomkernen wirkt die Kernkraft zwischen den meist nicht mehr direkt benachbarten Nukleonen weniger stark, die Bindungsenergie ist geringer. Hingegen steigt die abstoßende Coulombkraft mit ihrer größeren Reichweite fast unvermindert an, sie geht negativ in die Bindungsenergie ein und verursacht bei sehr großen Kernen eine niedrigere Bindungsenergie. Diese Bindungsenergie hat ein Maximum beim Eisenisotop 56Fe. Das bedeutet, dass Elemente mit deutlich höherer Ordnungszahl als 56Fe bei ihrer Spaltung die Kernenergie in Wärme umwandeln (Kernspaltung, Kernfission), ebenso wie leichte Elemente bei ihrer Verschmelzung zu schwereren Elementen (Kernfusion) die Differenz der Bindungsenergien in Wärme umwandeln. 4.7. Thermische Energie (Wärmeenergie) Die thermische Energie liegt in der Bewegungsenergie der Atome oder Moleküle eines Stoffes. Alle Stoffe haben bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt (–273,15 °C) thermische Energie, die von seiner Temperatur, Masse und Wärmespeicherkapazität abhängt. Die thermische Energie spielt auch eine wichtige Rolle beim Phasenwechsel von Materie. Zum Schmelzen von Feststoffen wird beispielsweise thermische Energie benötigt, die dann in der Schmelze gespeichert ist. Besonders erwähnenswert ist diese Energieform auch deshalb, weil sich die Temperatur während des gesamten Vorganges nicht erhöht, sondern konstant auf dem Niveau des Schmelzpunktes bleibt. Für manche Anwendungen ist das ein nützlicher Effekt, z. B. bei sogenannten Latentwärmespeichern (Phasenwechselmaterialien – PCM). 4.8. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 2: Recherchieren und ergänzen Sie die ersten beiden Hauptsätze der Thermodynamik. Aufgabe 3: Recherchieren Sie Umwandlungsmöglichkeiten von Energieformen und ergänzen Sie die Abbildung 2. Aufgabe 4: Welche Energieformen kennen Sie? 13 Aufgabe 5: Was ist der Unterschied zwischen potenzieller und kinetischer Energie? Aufgabe 6: Stellen Sie einen Kondensator mit seinem elektrischen Feld grafisch dar. Aufgabe 7: Erklären Sie das Zusammenspiel zwischen den Effekten, die durch die 1. und die 2. Maxwell-Gleichung beschrieben werden. Aufgabe 8: Welche Formen elektromagnetischer Strahlung gibt es, und wodurch unterscheiden sie sich? Aufgabe 9: In welcher Form kann chemische Energie genutzt werden? Aufgabe 10: Woraus setzt sich die Bindungsenergie in Atomkernen zusammen? Aufgabe 11: Wovon hängt die thermische Energie eines Stoffes ab? 14 5. Welche Maßeinheiten für Energie gibt es? Die Europäische Union hat mit der Richtlinie 80/181/EWG die Verwendung der SI-Einheit Joule (J) vorgeschrieben. Joule (J) kann auch in anderen Einheiten ausgedrückt werden: 1 J = 1 N·m (Newtonmeter) 1 J = 1 Ws (Wattsekunde) 1 J = 1 kg·m2/s2 (bezogen auf die SI-Basiseinheiten Kilogramm, Quadratmeter, Sekunde) Trotz der EU-Richtlinie haben viele wissenschaftliche Disziplinen ihre eigenen Maßeinheiten für Energie. Das ist neben der reinen Gewohnheit auch darin begründet, dass spezifische Maßzahlen die Interpretation der Werte vereinfachen. So gibt es in der Atomphysik das Elektronenvolt (eV), das sich auf die Energie eines Ladungsträgers bezieht, z. B. eines Elektrons, das mit einer elektrischen Spannung von 1 Volt beschleunigt wurde. Der Zahlenwert eines eV in Joule ist für die Welt der Energietechnik entsprechend gering (1eV = 1,602 * 10-19 J). Auch für die unterschiedlichen Primärenergieträger haben sich spezifische Einheiten ausgebildet. Eine Steinkohleeinheit (SKE) beschreibt die Energiemenge, die beim Verbrennen von Steinkohle umgewandelt wird. Entsprechend gibt es für Rohöl die Einheit Öleinheit (engl. Oil Equivalent OE). Sie entspricht dem Heizwert von Öl und wird wie die SKE mit Bezug auf das Gewicht angegeben, also zum Beispiel 1 kg OE oder Mtoe (Megatonne Öleinheiten). Weitere stoffspezifische Einheiten beziehen sich auf die Erwärmung von Wasser, und zwar die von den britischen Grundeinheiten abgeleitete British Thermal Unit (BTU) und die Kalorie. Eine BTU entspricht der Wärmemenge, die erforderlich ist, um ein britisches Pfund Wasser um 1 Grad Fahrenheit zu erwärmen, eine Kalorie hingegen beschreibt die Wärmemenge, die notwendig ist, um ein Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen. Das dezimale Vielfache Kilokalorie ist dementsprechend die Wärmemenge, um ein Kilogramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen. Das TNT-Äquivalent ist eine weitere Maßeinheit. Sie entspricht der Energie, die bei der Explosion von TNT freigesetzt wird. Folgende Tabelle zeigt die Umrechnungsfaktoren der unterschiedlichen Einheiten. 15 Einheit 1 Elektronenvolt eV Umrechnungsfaktor 1,602 * 10-19 J 1 kg Steinkohleeinheit (SKE) 2,9 * 107 J 1 kg Öläquivalent (OE) 4,1868 * 107 J 1 British Thermal Unit (BTU) 1055 J 1 Kalorie (cal) ≈ 4,184 J 1 kg TNT-Äquivalent 4,184 * 106 J (ursprünglich 106 cal) Tabelle 1: Umrechnungsfaktoren verschiedener Einheiten für Energie Die in der Energietechnik häufig verwendete Wattstunde (Wh) und ihre dezimalen Vielfachen (kWh, GWh,…) sind nach folgender Ableitung einfach über den Faktor 3600 in Joule umzurechnen. 1 Wh = 1 W * 1 h = 1 W * 3600 s = 3600 Ws = 3600 J Obwohl es plausibel und nachvollziehbar ist, dass für jeden wissenschaftlichen Kontext fachspezifische Einheiten entstanden sind, würde die Verwendung von SI-Einheiten das wissenschaftliche Rechnen bei zunehmender Komplexität, insbesondere bei interdisziplinärer Arbeit deutlich vereinfachen. Werte können ohne jeden Umrechnungsfaktor in jede Formel eingesetzt werden. Gerade in der Energietechnik mit ihrer Vielzahl von neuen Disziplinen ist die Vereinheitlichung auf SI-Einheiten besonders erstrebenswert und würde die Vergleichbarkeit von Größen deutlich verbessern. Auch die Einheit Wattstunde wurde ja bisher nur zusammen mit dezimalen Vielfachen (kWh, MWh) verwendet. 16 Dezimale Vielfache Die EU-Richtlinie 80/181/EWG definiert die Namenskonvention für dezimale Vielfache wie folgt: Tabelle 2: Bezeichnungen für dezimale Vielfache 5.1. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 12: Wie viel Joule bzw. wie viel Megajoule entsprechen 1 kWh? Aufgabe 13: Wie viel Joule entsprechen 500 kg OE? Was bedeutet das Ergebnis? Aufgabe 14: Wie viel Joule entsprechen 2000 Kalorien? Was bedeutet das Ergebnis? 17 6. Wie wird Energie berechnet? Für einige der oben beschriebenen Energieformen werden im folgenden Kapitel die Berechnungsformeln abgeleitet und anhand von Beispielen erklärt. 6.1. Berechnung von potenzieller Energie Die potenzielle Energie eines Körpers ist bekannt als: 𝐸 =𝑚𝑔ℎ mit 𝑚 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 in kg 𝑔 = 𝐸𝑟𝑑𝑏𝑒𝑠𝑐ℎ𝑙𝑒𝑢𝑛𝑖𝑔𝑢𝑛𝑔 (≈ 9,81 𝑚⁄ 2 ) 𝑠 ℎ = 𝐻öℎ𝑒 in m Die Höhe h führt uns vor Augen, dass sich das Maß der potenziellen Energie auf eine Ausgangshöhe bezieht. Die potenzielle Energie ist also kein absolutes Maß, sondern gibt die Energiedifferenz zwischen zwei Lagen an. Das wird offensichtlich, wenn wir den Hubvorgang betrachten. Wir gehen davon aus, dass die für den Hub von einer Höhe h0 auf die Höhe h1 benötigte mechanische Arbeit direkt in die potenzielle Energie des Körpers eingeht (bezogen auf die Ausgangshöhe h0). Die mechanische Arbeit ist gleich dem Integral ℎ ℎ 𝐸 = 𝑊 = ∫ℎ 1 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐹(𝑥) ⃗⃗⃗⃗ 𝑑𝑥 = ∫ℎ 1 𝑚 𝑔 𝑑ℎ = 𝑚 𝑔 (ℎ1 − ℎ0 ) 0 0 mit 𝑥 = 𝑊𝑒𝑔, ℎ = 𝑠𝑘𝑎𝑙𝑎𝑟𝑒 𝐻öℎ𝑒 𝐹(𝑥) = 𝐻𝑢𝑏𝑘𝑟𝑎𝑓𝑡 = 𝑚 𝑔 𝑚 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑔 = 𝐸𝑟𝑑𝑏𝑒𝑠𝑐ℎ𝑙𝑒𝑢𝑛𝑖𝑔𝑢𝑛𝑔 (≈ 9,81 𝑚⁄ 2 ) 𝑠 ℎ0 , ℎ1 = 𝐻öℎ𝑒 18 Beispiel 1: Bergwanderung Um ein Gefühl für die Größenordnung zu bekommen, wird die potenzielle Energie einer Person errechnet, die von einer Ausgangshöhe von 884 m einen Berggipfel mit 2277 m Seehöhe besteigt. Für die Person wird eine Masse von 75 kg angenommen. Die potenzielle Energie ist E = m g (h1 − h0 ) = 75 ∗ 9,81 ∗ (2277 − 884) = 1.024.899,75 𝐽 ≈ 1 𝑀𝐽 Verglichen mit dem Energiegehalt von Nahrungsmitteln, aus denen diese Energie gedeckt werden muss, ist der Energieaufwand denkbar gering. Unter Studierenden drängt sich geradezu ein halber Liter Bier zum Vergleich auf, durchschnittlich mit einem Energiegehalt von 880 kJ. Damit sind bereits 88 % gedeckt. Das Beispiel zeigt, dass die potenzielle Energie nur den Aufwand beschreibt, der bei völlig verlustfreier Umsetzung notwendig wäre. Es zeigt weiters, dass nur ein Teil der mit der Nahrung aufgenommenen Energie in potenzielle Energie (Exergie) umgewandelt wird. Ein Teil wird für die Aufrechterhaltung von Körperfunktionen umgesetzt, diese ist großteils nicht mehr für eine weitere direkte Umwandlung nutzbar (Anergie). 19 Beispiel 2: Wie groß ist die Energie eines Speichers des Kraftwerkes Kaprun? Abbildung 5: Übersicht Kraftwerksanlage Kaprun (Quelle: Verbund AG; http://www.verbund.com/pp/~/media/FFB4978D2D7444FE9E7181273510BDD1.jpg) Der „Speicher Wasserfallboden“ fasst ein Volumen von 81,2 Mio. m3. Die mittlere Rohfallhöhe zwischen dem Speicher und „Krafthaus Hauptstufe“ beträgt 858,3 m. Die gespeicherte potenzielle Energie ist entsprechend 𝐸 = 𝑚 𝑔 ∆h = 𝜌 𝑉 𝑔 ∆h = 1000 ∗ 81,2 ∗ 106 ∗ 9,81 ∗ 858,3 = 683,69 ∗ 1012 𝐽 ≈ 684 𝑇𝐽 𝑚𝑖𝑡 1012 𝐽 = (103 )4 𝐽 = 1𝑇𝐽 (𝑇𝑒𝑟𝑎𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒) Verglichen mit dem jährlichen österreichischen Endverbrauch an Strom von 217.221 TJ im Jahr 2010 sind das gerade einmal 0,315 %. Das heißt, mit diesem Stausee hätte 2010 der mittlere Stromverbrauch in Österreich für die Zeit von circa 28 Stunden gedeckt werden können. 20 6.2. Berechnung von kinetischer Energie Die kinetische Energie eines Körpers ist auch bekannt als 𝐸=𝑚 𝑣2 2 mit 𝑚 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 in kg 𝑣 = 𝐺𝑒𝑠𝑐ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 in m/s Hier sticht der Term 𝑣2 2 heraus. Wieso errechnet sich die kinetische Energie anders als die potenzielle Energie über das Quadrat der Geschwindigkeit? Weil viele andere Energieinhalte über Formeln ähnlicher Form errechnet werden, soll diese Formel für kinetische Energie als Beispiel genau hergeleitet und näher betrachtet werden. Wir gehen davon aus, dass die kinetische Energie gleich der Summe der Arbeit ist, die zur Beschleunigung aufgewendet wurde. Lineare Bewegung wird angenommen, skalare Größen werden verwendet. 𝐸 = 𝑊 = ∫ 𝑑𝑊 = ∫ 𝐹(𝑥)𝑑𝑥 = ∫ 𝑚 𝑑𝑣 𝑑𝑡 𝑑𝑥 = ∫ 𝑚 𝑑𝑥 𝑑𝑡 𝑑𝑣 = 𝑚 ∫ 𝑣 𝑑𝑣 = 𝑚 𝑣2 2 mit 𝑥 = 𝑊𝑒𝑔 W= 𝑀𝑒𝑐ℎ𝑎𝑛𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝐴𝑟𝑏𝑒𝑖𝑡 𝐹(𝑥) = 𝐵𝑒𝑠𝑐ℎ𝑙𝑒𝑢𝑛𝑖𝑔𝑢𝑛𝑔𝑠𝑘𝑟𝑎𝑓𝑡 = (𝑛𝑎𝑐ℎ 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛) 𝑚 𝑑𝑣 𝑑𝑡 𝑚 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 v = Geschwindigkeit = Ein Term mit der Form x2 2 dx dt entsteht also durch das Integral der Art ∫ 𝑥 𝑑𝑥. Solche Terme entstehen immer dann, wenn die erforderliche Arbeit für die weitere „Ladung“ mit Energie proportional mit der physikalischen Bezugsgröße ansteigt. Hier steigt die erforderliche Arbeit für eine weitere Beschleunigung eines Körpers proportional mit der bereits erreichten Geschwindigkeit an. 21 Eine ähnliche Form wie für die kinetische Energie haben folgende Berechnungsformeln: Rotationsenergie: 𝐸=𝐽 𝜔2 2 mit 𝐽 = 𝑅𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠𝑡𝑟ä𝑔ℎ𝑒𝑖𝑡𝑠𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡, 𝜔 = 𝑊𝑖𝑛𝑘𝑒𝑙𝑔𝑒𝑠𝑐ℎ𝑤𝑖𝑛𝑑𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡 Elektrostatische Energie: 𝐸=𝐶 𝑈2 2 mit 𝐶 = 𝐾𝑎𝑝𝑎𝑧𝑖𝑡ä𝑡, 𝑈 = 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝑆𝑝𝑎𝑛𝑛𝑢𝑛𝑔 Elektromagnetische Energie: 𝐸=𝐿 𝐼2 2 mit 𝐿 = 𝐼𝑛𝑑𝑢𝑘𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡ä𝑡, 𝐼 = 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒𝑟 𝑆𝑡𝑟𝑜𝑚 Die kinetische Energie eines PKW Ein PKW mit einem Gesamtgewicht von 1350 kg wird auf die Geschwindigkeit von 130 km/h beschleunigt. Wie groß ist seine kinetische Energie? Zuerst wird die Geschwindigkeitsangabe in SI-Einheiten (m/s) umgerechnet:1 km/h ist 1000 𝑚 60 ∗60 𝑠 , also 1 𝑚 3,6 𝑠 , demnach sind 130 km/h gleich 130/3,6 m/s = 36,11 m/s. Die kinetische Energie beträgt somit 𝐸=m 𝑣2 2 = 1350 36,112 2 = 880.208 J ≈ 880 kJ Das Beispiel der kinetischen Energie zeigt, dass die Energie nicht einfach entsteht, sondern dem Körper zugeführt werden muss, hier durch den Kraft- und Energieaufwand der Beschleunigung. Wird diese kinetische Energie dem Fahrzeug später wieder entzogen, so wird sie nicht vernichtet, sondern in den Bremsen in thermische Energie umgewandelt. 22 7. Hauptsätze der Thermodynamik Wie schon das Beispiel zur kinetischen Energie des PKW zeigt, kann Energie nicht entstehen und auch nicht verloren gehen. Sie wird immer nur in andere Formen umgewandelt. Betrachten wir den Fluss der Energie im Folgenden noch genauer. Umwandlung von Energie im PKW Ein PKW hat in seinem Tank chemische Energie in Form des Treibstoffes gespeichert. Durch dessen Verbrennung im Motor wird hauptsächlich Wärme (thermische Energie) erzeugt und mechanische Energie, die zum Antrieb verwendet wird. Auch auf dem Weg bis zur Beschleunigung des Fahrzeuges geht weitere Energie „verloren“. „Verloren“ deshalb, weil die Umsetzung nicht dem beabsichtigten Zweck dient. Die Energie, die ursprünglich im Treibstoff gespeichert war, geht aber „nicht verloren“, sie wird nur in andere Formen umgewandelt. Der Großteil der Energie wird tatsächlich schon im Motor in Wärme umgewandelt, sie wird teilweise zur Beheizung genutzt, zum größten Teil wird sie aber als Verlustwärme an die umgebende Luft abgegeben oder weggekühlt. Auch die Verluste im mechanischen Getriebe treten in vollem Umfang als Wärme in Erscheinung. Betrachtet man eine Autofahrt bis zur Rückkehr zum Ausgangspunkt, hat das Fahrzeug schließlich weder zusätzliche potenzielle noch kinetische Energie. Die gesamte Energie des Treibstoffes wurde in Wärme umgewandelt und entweder über Wärmeleitung oder mit der Restwärme des Abgases an die Umgebungsluft abgegeben. Auch der Nutzanteil, der über die Beschleunigung in kinetische Energie oder durch den Kraftaufwand für eine Bergfahrt in potenzielle Energie umgewandelt wurde, wird schlussendlich wieder über die Bremsen als Wärmeenergie an die Umgebungsluft abgegeben. Ein Teil bleibt noch bis zur restlosen Abkühlung im abgestellten Motor und in überhitzten Bremsen gespeichert. Die Überlegungen in oben beschriebenen Beispiel führt uns zum 1. Hauptsatz der Thermodynamik, der ein System mit seinen Schnittstellen zur Umgebung betrachtet. 23 7.1. 1. Hauptsatz der Thermodynamik Die (innere) Energie eines Systems ändert sich in dem Maße, in dem ihm Energie über seine Systemgrenzen zugeführt wird. ∆𝐸 = 𝑊 + 𝑄 + 𝐾 𝐸 = Energie des Systems, die Summe der im System gespeicherten Energie Am Beispiel des „Systems PKW“ bedeutet die Formel ∆𝑬 = 𝑾 + 𝑸 + 𝑲 Folgendes: 𝐸 = Energie des Systems, die Summe der im System gespeicherten Energie - die im Treibstoff gespeicherte Energie - die mechanische Energie durch die Lage (potenzielle) und durch die Bewegung (kinetische) des Fahrzeuges, aber auch durch die Rotation des gesamten Antriebssystems - die in der Temperatur des Fahrzeuges und der Luft im Innenraum gespeicherte Energie 𝑊 = Energie, die dem System durch mechanische Arbeit zu-/abgeführt wird - die mechanische Energie, die dem Fahrzeug durch den Luftwiderstand und der Rollreibung entzogen wird 𝑄 = Energie, die dem System in Form von Wärme zu-/abgeführt wird - im PKW-Beispiel wird fast ausschließlich Wärme über Wärmeleitung und Wärmestrahlung abgeführt, demnach ist sie negativ 𝐾 = Energie, die dem System in Form von Materie zu-/abgeführt wird (Konvektion) - durch den Tankvorgang - mit der Zufuhr von Verbrennungsluft - mit dem warmen Abgas - mit der warmen Luft, die aus dem Fahrgastraum abgelüftet und durch frische ersetzt wird 24 Anders formuliert erhält man den Energieerhaltungssatz: Die gesamte innere Energie eines Systems bleibt konstant (∆𝑬 = 𝟎), außer man führt Energie von außen zu (𝑾 + 𝑸 + 𝑲 ≠ 𝟎). 7.2. 2. Hauptsatz der Thermodynamik Der 1. Hauptsatz beschreibt, nach welchen Gesetzmäßigkeiten die einzelnen Energieformen eines Gesamtsystems zusammenhängen. Er macht aber keine Aussage darüber, ob die Energie sich nun beliebig auf die unterschiedlichen Energieformen verteilen kann oder ob es Randbedingungen gibt, die für die Umwandlung zwischen den Energieformen gelten. Eine Ausprägung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik lautet sinngemäß, dass Wärmeenergie von selbst nur von Materie mit hoher Temperatur auf Materie mit niedriger Temperatur übertragen werden kann. Denkt man an den physikalischen Hintergrund der thermischen Energie, der Bewegung von Atomen und Molekülen, wird klar, dass die Teilchenbewegung sich eher in Richtung kalter, unbewegter Teilchen fortpflanzt als umgekehrt. Es ist leicht, sich vorzustellen, dass aus einer „gut aufgeräumten“ Anordnung mit einem Bereich konzentrierter hoher Temperatur und einem zweiten Bereich niedriger Temperatur nach entsprechender Zeit durch Wärmeströmung eine gleichmäßige Temperaturverteilung eintritt, obwohl sich an der Gesamtenergie nichts ändert. Ganz in Analogie zur Natur der thermischen Teilchenbewegung wird auch für die makroskopische Beschreibung die Wahrscheinlichkeit betrachtet, mit der ein bestimmter Energiezustand eintritt. Die mikroskopische Betrachtung – wie wahrscheinlich ist es, dass sich die thermische Bewegung einzelner Teilchen auf Nachbarteilchen überträgt? (hoch, ist anzunehmen) – entspricht der makroskopischen Betrachtung – wie wahrscheinlich ist es, dass sich die Temperatur in einer Anordnung mit unterschiedlichen Temperaturniveaus über die Zeit ausgleicht? (analytisch nachweisbar hoch). In der Thermodynamik ist es gelungen, der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer energetischen Gesamtverteilung eine technische Größe, die Entropie S, zuzuordnen. 25 Thermodynamik: Eine Einführung in den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik Abbildung 6: Entropie (Quelle: http://www.thermobestehen.de/Lektion_Entropie.html) Da der Wert der Entropie mit dem natürlichen Bestreben nach maximaler Unordnung korreliert, wird sie auch das Maß für die Unordnung genannt. Auch einem Wärmestrom ist eine Entropie zugeordnet, die er quasi huckepack transportiert. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik lautet umformuliert: Im thermodynamischen Gleichgewicht hat ein System eine möglichst große Entropie. Und: Die Entropie eines abgeschlossenen Systems wird nie von alleine kleiner. Diese Entropie ist im Gegensatz zur Energie keine Erhaltungsgröße. Bei jeder ̇ . Dieser irreversible Temperaturänderung, jedem Ausgleichsvorgang entsteht Entropie 𝑆𝑖𝑟𝑟 Anteil der Entropie, der bei realen Vorgängen immer größer null ist, geht genauso in die Bilanzierung der Entropie ein wie ein reversibler Anteil, den jeder Wärmestrom quasi 𝑄̇ huckepack als Entropiestrom mit sich trägt (𝑇 ). Zudem ist auch jedem Massenstrom ein Entropiestrom zugeordnet (𝑚̇ ∗ 𝑠). Damit kann auch die Entropie bilanziert werden: ∆𝑆 = ∆𝑄𝑟𝑒𝑣 𝑆 + ∆𝑖𝑟𝑟 𝑆 + ∆𝑘 𝑆 Ebenso können Entropieströme bilanziert werden: ∆𝑆̇ = ∆𝑄𝑟𝑒𝑣 𝑆̇ + ∆𝑖𝑟𝑟 𝑆̇ + ∆𝑘 𝑆̇ 26 Die Entropie wird sowohl von der Ordnung eines Systems als auch von dessen Temperatur bestimmt. So kann ein Gesamtsystem, das sich im thermischen Gleichgewicht befindet, also im Zustand maximaler Unordnung, bei niedriger Temperatur trotzdem weniger Entropie haben als ein „geordnetes“ heißes System. Entscheidend ist die mittlere Temperatur des Systems. In der Thermodynamik spielt die Temperatur als Träger von Entropie meist die Hauptrolle. 7.3. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 15: Wie hoch ist die potenzielle Energie eines Hagelkorns mit einer Masse von 5 g in 4000 m Seehöhe? Aufgabe 16: Eine Läuferin, die 57 kg wiegt, beschleunigt auf 20 km/h. Wie hoch ist die kinetische Energie? Aufgabe 17: Drücken Sie die Formel ∆E=W+Q+K des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik in Worten aus. Aufgabe 18: Was sagt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik über die Übertragung von Wärme aus? Aufgabe 19: Was sagt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik über die Entropie eines abgeschlossenen Systems aus? 27 8. Erneuerbare Energie und ihre Formen Derzeit decken wir unseren Energiebedarf vor allem aus fossilen Energiequellen. Die Energieträger Kohle, Öl und Gas werden aus der Tiefe der Erde gefördert und genutzt. Ursprünglich sind auch sie aus biologischen Quellen entstanden, z. B. durch die Ablagerung von Algen. Nur liegt der Zeitpunkt ihrer Entstehung so lange zurück (Millionen von Jahren), dass wir sie nicht einfach wieder erneuern können. Erneuerbare Energiequellen sind also jene, die zumindest im zeitlichen Kontext einer menschlichen Generation wieder zur Verfügung stehen. Es gibt nur wenige Urquellen von Energie, das sind unsere Sonne, unsere Erde und auch unser Mond. Streng genommen stammt auch die Energie der Erde und des Mondes aus der Entstehung unseres Sonnensystems. 8.1. Die Sonne als Energiequelle Die Sonne strahlt Energie in Form elektromagnetischer Wellen in das Weltall. Diese Strahlung hat ein breites Frequenzspektrum von langwelliger Wärmestrahlung über das sichtbare Licht und UV bis hin zu kurzwelliger Strahlung. Wie viel Energie liefert die Sonne der Erde? Die Strahlungsleistung der Sonne, die auf die Erde trifft, ist die sogenannte Solarkonstante und beträgt 1367 W/m2. Die ständig auf die projizierte Fläche der Erdscheibe einstrahlende Leistung beträgt demnach circa 175 PW. Das ergibt über ein Jahr die Energie von 5,5 * 1024 Joule. Der technische Gesamtenergieumsatz der Menschen liegt derzeitig bei circa 500 EJ. Das bedeutet, dass circa das 10.000-Fache unseres technischen Energiebedarfes von der Sonne eingestrahlt wird. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik würde die Strahlungsleistung der Sonne die Erdkugel kontinuierlich erwärmen. Bei überschlägiger Berechnung mit dem gesamten Erdvolumen und einer angenommenen Wärmespeicherfähigkeit, die der von Granit entspricht, würde sich die Erde um circa 2 Tausendstel Grad pro Jahr erwärmen. Nachdem die Erde bereits mehrere Milliarden Jahre alt ist, müssten hier Temperaturen von mehreren Millionen Kelvin herrschen. Da das nicht der Fall ist, muss es noch eine weitere Größe geben, die wir in unserer Bilanz 28 berücksichtigen müssen, und das ist die thermische Abstrahlung der Erde. Die Erde strahlt kontinuierlich Wärme in das Weltall ab. Diese infrarote Strahlung hält zusammen mit der eingestrahlten Sonnenenergie die Erde in einem thermischen Gleichgewicht. Diese Wärmebilanz gilt aber nur bei einer Betrachtung des gesamten Erdvolumens als Wärmespeicher und über eine Zeit von vielen tausend Jahren. Sie darf nicht verwechselt werden mit der Klimaerwärmung, die sich sehr viel kurzfristiger und als thermische Welle vorerst nur auf eine dünne Schicht der Erdkruste auswirkt und deshalb deutlich größere jährliche Temperaturänderungen verursacht. 8.2. Die Erde als Energiequelle Die Erde selbst leitet kontinuierlich eine Wärmeleistung von circa 63 mW/m2 an ihre Oberfläche. Diese Leistung setzt sich zu etwa gleichen Teilen aus radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdinneren und in der Erdkruste gespeicherter Wärme aus der Zeit der Erdentstehung zusammen. Summiert über die gesamte Erdoberfläche und ein Jahr ergibt das die Gesamtenergie von circa 1 * 1021 Joule, das Doppelte des Gesamtenergiebedarfes der Menschen. Das heißt, zusammen mit der Sonnenenergie wäre unsere Energieversorgung mehr als ausreichend sichergestellt. 8.3. Wie wird erneuerbare Energie umgewandelt und nutzbar gemacht? Der Großteil der Sonnenenergie wird selbstverständlich direkt und ohne menschliches Zutun umgesetzt. Die Sonnenstrahlung erwärmt im Tageszyklus die Erdoberfläche, spendet Licht und schafft die Bedingungen für menschliches Leben. Sie erzeugt aber über die Temperaturunterschiede und die Erdrotation auch thermische Luftströmungen und Winde, die uns dann als Windkraft zur Verfügung stehen. Ebenso verdunstet sie Wasser, das mit der erwärmten Luft aufsteigt und in höheren Lagen wieder abregnet und so potenzielle Energie in Gestalt der Wasserkraft bereitstellt. Über die Photosynthese entsteht pflanzliches Leben, das entweder als Biomasse energetisch genutzt wird oder als Nahrungsmittel für tierische und menschliche Muskelkraft sorgt. Nicht zu vergessen, dass auch unser Gehirn mit Energie versorgt werden will. Eine weitere Energieform, die neuerdings Gegenstand von Untersuchungen ist, entsteht ebenfalls durch Sonnenenergie: Meerwasser verdunstet durch die Sonneneinstrahlung, aber ohne das Salz mitzunehmen. Der unterschiedliche Salzgehalt von Flusswasser und Meerwasser wird in osmotischen Generatoren in mechanische Energie umgewandelt und genutzt. Ein weiteres Potenzial in den Meeren liegt einerseits in thermischen Strömungen und den durch Wind verursachten Wellen, andererseits aber auch (und da kommen wir auf den 29 Mond als Urquelle von Energie) in den enormen Mengen Wasser, die mit den Gezeiten von Ebbe zu Flut verschoben werden. Die Erdwärme wird auf unterschiedliche Art genutzt. An geografisch ausgezeichneten Stellen (tektonischen Bruchstellen) kann sie auf hohem Temperaturniveau gehoben werden, entweder direkt als Thermalwasser oder über spezielle Verfahren, die künstlich Wasser in die trockenen Gesteinsschichten leiten und die Wärme abführen. Flächendeckend kann Erdwärme auf sehr niedrigem Temperaturniveau, aber in großem Umfang mithilfe von Wärmepumpen genutzt werden. Aus den vielen Primärenergiequellen wird nun die Energie entweder direkt oder über Zwischenschritte, oft auch über eine Zwischenspeicherung in sogenannte Endenergie umgewandelt. Endenergie Endenergie ist jene Energieform und Energiemenge, die von den NutzerInnen zur Erzeugung einer „nutzbaren“ Wirkung eingesetzt wird, also beispielsweise der Strom für die Beleuchtung. Das nach Abzug von Verlusten erzeugte Licht am Arbeitsplatz wird hingegen als Nutzenergie bezeichnet. Herausragende Methoden sind die direkte Umsetzung der Sonnenenergie in Endenergie wie Wärme (Solarthermie) und Strom (Photovoltaik). Sie sind deshalb besonders attraktiv, weil sie die Strahlungsenergie der Sonne ohne aufwändige Zwischenschritte in die gewünschte Endenergie umwandeln. 8.4. Zum Üben... Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht Aufgabe 20: In welcher Energieform gibt die Sonne Energie ab? Aufgabe 21: Welche Energieform leitet die Erde selbst an ihre Erdoberfläche weiter? Aufgabe 22: Stellen Sie dar, in welchen Formen die Energie der Hauptenergiequellen (Sonne, Erde, Mond) auf der Erde zu Tage tritt und genutzt werden kann. 30 9. Quellen Richtlinie 80/181/EWG. URL: http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CONSLEG:1980L0181:20090527:DE: PDF (23.05.2012). 31 10. Übersicht Aufgaben Aufgabe 1: Welche Formen von Energie kennen Sie aus Ihrem Alltag? ................................ 4 Aufgabe 2: Recherchieren und ergänzen Sie die ersten beiden Hauptsätze der Thermodynamik.............................................................................................................13 Aufgabe 3: Recherchieren Sie Umwandlungsmöglichkeiten von Energieformen und ergänzen Sie die Abbildung 2. ......................................................................................................13 Aufgabe 4: Welche Energieformen kennen Sie? ..................................................................13 Aufgabe 5: Was ist der Unterschied zwischen potenzieller und kinetischer Energie? ...........14 Aufgabe 6: Stellen Sie einen Kondensator mit seinem elektrischen Feld grafisch dar. .........14 Aufgabe 7: Erklären Sie das Zusammenspiel zwischen den Effekten, die durch die 1. und die 2. Maxwell-Gleichung beschrieben werden. ..................................................................14 Aufgabe 8: Welche Formen elektromagnetischer Strahlung gibt es, und wodurch unterscheiden sie sich? .................................................................................................14 Aufgabe 9: In welcher Form kann chemische Energie genutzt werden? ...............................14 Aufgabe 10: Woraus setzt sich die Bindungsenergie in Atomkernen zusammen? ................14 Aufgabe 11: Wovon hängt die thermische Energie eines Stoffes ab? ...................................14 Aufgabe 12: Wie viel Joule bzw. wie viel Megajoule entsprechen 1 kWh? ............................17 Aufgabe 13: Wie viel Joule entsprechen 500 kg OE? Was bedeutet das Ergebnis? .............17 Aufgabe 14: Wie viel Joule entsprechen 2000 Kalorien? Was bedeutet das Ergebnis? ........17 Aufgabe 15: Wie hoch ist die potenzielle Energie eines Hagelkorns mit einer Masse von 5 g in 4000 m Seehöhe? .....................................................................................................27 Aufgabe 16: Eine Läuferin, die 57 kg wiegt, beschleunigt auf 20 km/h. Wie hoch ist die kinetische Energie? .......................................................................................................27 Aufgabe 17: Drücken Sie die Formel ∆E=W+Q+K des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik in Worten aus. ...................................................................................................................27 Aufgabe 18: Was sagt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik über die Übertragung von Wärme aus? ..................................................................................................................27 Aufgabe 19: Was sagt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik über die Entropie eines abgeschlossenen Systems aus? ...................................................................................27 Aufgabe 20: In welcher Energieform gibt die Sonne Energie ab? .........................................30 Aufgabe 21: Welche Energieform leitet die Erde selbst an ihre Erdoberfläche weiter? .........30 32 Aufgabe 22: Stellen Sie dar, in welchen Formen die Energie der Hauptenergiequellen (Sonne, Erde, Mond) auf der Erde zu Tage tritt und genutzt werden kann.....................30 33 11. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Die Übertragung von Wärmeenergie – beschrieben im 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT).......................................................... 4 Abbildung 2: Energieformen und Beispiele für Umwandlungsmöglichkeiten (Quelle: GrAT) .. 8 Abbildung 3: Thermodynamik (Quelle: http://www.thermo-bestehen.de/lektion_1hs.html) ..... 8 Abbildung 4: Stromfluss durch einen Kondensator (Quelle: SiriusA; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Kapacitans.svg&filetimestamp=20111019 164540) .........................................................................................................................10 Abbildung 5: Übersicht Kraftwerksanlage Kaprun (Quelle: VERBUND-Austrian Hydro Power, www.verbund.at; http://de.factolex.com/Kraftwerk_Kaprun) ...........................................20 Abbildung 6: Entropie (Quelle: http://www.thermo-bestehen.de/Lektion_Entropie.html)........26 12. Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Umrechnungsfaktoren verschiedener Einheiten für Energie .................................16 Tabelle 2: Bezeichnungen für dezimale Vielfache ................................................................17 34 13. Impressum Herausgeber und für den Inhalt verantwortlich: GrAT – Gruppe Angepasste Technologie Technische Universität Wien Wiedner Hauptstraße 8-10 1040 Wien Austria T: ++43 1 58801-49523 F: ++43 1 58801-49533 E-Mail: contact(at)grat.at http://www.grat.at Projektleiterin und Ansprechperson: Dr. Katharina Zwiauer E-Mail: katharina.zwiauer(at)grat.at AutorInnen: DI Karl Knöbl, Dr. Katharina Zwiauer Fachdidaktisierung: Magdalena Burghardt MA, Dr. Katharina Zwiauer Lektorat: Mag. Silvia Grillitsch Finanziert durch: Nutzungsbedingungen: Alle Inhalte sind unter folgender Creative-Commons-Lizenz lizensiert: e-genius steht unter einer Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Austria Lizenz. Das bedeutet: 35 Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, Abwandlungen und Bearbeitungen des Werkes bzw. Inhaltes anfertigen. Zu den folgenden Bedingungen: Namensnennung — Sie müssen den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen. Keine kommerzielle Nutzung — Dieses Werk bzw. dieser Inhalt darf nicht für kommerzielle Zwecke verwendet werden. Weitergabe unter gleichen Bedingungen — Wenn Sie das lizenzierte Werk bzw. den lizenzierten Inhalt bearbeiten oder in anderer Weise erkennbar als Grundlage für eigenes Schaffen verwenden, dürfen Sie die daraufhin neu entstandenen Werke bzw. Inhalte nur unter Verwendung von Lizenzbedingungen weitergeben, die mit denen dieses Lizenzvertrages identisch oder vergleichbar sind. Hinweise zur Namensnennung/Zitierweise: Texte: AutorInnen des Lernfelds, Titel des Lernfelds. Hrsg.: GrAT, www.e-genius.at Bilder: Nennung der Rechteinhaberin/des Rechteinhabers und www.e-genius.at Haftungsausschluss: Sämtliche Inhalte auf der Plattform e-genius wurden sorgfältig geprüft. Dennoch kann keine Garantie für die Richtigkeit, Vollständigkeit, Aktualität und Verfügbarkeit der Inhalte übernommen werden. Der Herausgeber übernimmt keinerlei Haftung für Schäden und Nachteile, die allenfalls aus der Nutzung oder Verwertung der Inhalte entstehen. Die Zurverfügungstellung der Inhalte auf e-genius ersetzt keine fachkundige Beratung, die Abrufbarkeit der Inhalte ist kein Anbot zur Begründung eines Beratungsverhältnisses. e-genius enthält Links zu Webseiten Dritter. Das Setzen von Links ist ein Verweis auf Darstellungen und (auch andere) Meinungen, bedeutet aber nicht, dass den dortigen Inhalten zugestimmt wird. Der Herausgeber von e-genius übernimmt keinerlei Haftung für Webseiten, auf die durch einen Link verwiesen wird. 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