Physik - ftb

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Gewerblich-industrielles
Bildungszentrum ZUG
4.1
KON1/PME1/AU1
Physik
Energieformen und –Umwandlung
Definition:
Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, mechanische
Arbeit zu verrichten.
Damit mechanische Arbeit verrichtet werden kann, muss Energie in vielen Fällen vorher
umgewandelt werden, z.B. wird elektrischer Strom in einem Elektromotor in mechanische
(Bewegungs-) Energie umgewandelt. Die obige Definition ist nicht in allen Fällen gültig, es
gibt auch körperlose Energie (z.B. in einem Magnetfeld).
Eigenschaften der Energie:
Energie kann auf einen anderen
Körper übertragen werden.
Die kinetische Energie einer Kugel wird auf die
nächste Kugel übertragen, die letzte Kugel führt
die Bewegung fort.
Energie kann in eine andere Form
umgewandelt werden
Die Spannenergie des Bogens wird in kinetische
Energie umgewandelt und auf den Pfeil übertragen.
Energie kann nicht vernichtet werden.
Bei Umwandlungen und Uebertragungen wird ein Teil der Energie in
unerwünschte Formen umgewandelt.
5% Licht
95% Wärme
Kap. 4.1: Energieformen und -Umwandlung
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Physik
Energieformen:
Wir unterscheiden verschiedene Energieformen:
1.
Bewegungs- oder kinetische Energie
Jeder physikalische Körper kann durch Kraftaufwendung in Bewegung gesetzt
werden. Er erhält durch den Kraftzufuhr kinetische (Bewegungs-) Energie.
Ein Auto mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h enthält so viel Energie, dass es
beim Zusammenprall mit einer Mauer komplett zerstört wird. Im Automobilbau sucht
man nach Wege, diese Energie so abzuleiten, dass die Fahrerkabine möglichst
unbeschädigt bleibt (passive Sicherheit).
2.
Thermische (Wärme-) Energie
Thermische Energie zeigt sich als Schwingung, bzw. Umherschiessen von Molekülen
und Atomen. Um so höher die Temperatur eines Körpers, um so stärker seine
Molekularbewegung.
Thermische Energie entsteht bei vielen Prozessen, u.a.:
aus chemischen Vorgängen (Verbrennung von fossilen Brennstoffen, Gärung)
aus Reibung: (Feuerbogen, Bremsen)
aus Elektrizität (Erwärmung von Stromleitungen, Elektroheizungen)
Beim absoluten Nullpunkt ist die Bewegungsenergie aller Teilchen eines Körpers
beinahe Null. Es bleibt die sogenannte Nullpunktsenergie, welche nicht mehr entfernt
werden kann.
3.
Potentielle Energie (z.B. Spannenergie, Lageenergie)
3.1
Spannenergie
In einem Körper kann Spannenergie „gelagert“ werden. Oft kann diese
Energie bei Bedarf abgerufen werden (z.B. Pfeilbogen, Uhrenbau).
Im Automobilbau setzt man Federn ein, um Unregelmässigkeiten im
Strassenbelag „abzufedern“. Hierbei wird Energie vorübergehend in
Spannenergie umgewandelt. Nicht jedes Material und nicht jede Form ist
gleich gut zur Federung geeignet. Bewährt haben sich Spiral- und Blattfedern.
3.2
4.
Lageenergie
Um einen Körper hoch zu heben, bedarf es Energie. Diese Energie geht nicht
verloren, sondern bleibt als Lageenergie erhalten.
Lässt man einen Stein aus 10 cm auf den Fuss fallen, richtet er beim Aufprall
wenig Schaden an. Anders sieht es aus, wenn der gleiche Stein auf eine Höhe
von 10 m angehoben wird und einem dann auf den Fuss fällt.
Chemische Energie (z.B. Verbrennungsenergie)
Aus chemischen Prozessen kann Energie gewonnen werden. Umgekehrt erfordern
gewisse chemische Vorgänge einen Energiezufuhr, damit sie überhaupt anlaufen.
Bei vielen chemischen Vorgängen wird Energie freigesetzt, z.B. bei der Oxidation (=
sich Verbinden mit Sauerstoff = Verbrennung), bei der Neutralisation von Säuren und
Basen, usw. Die Wasserstofftechnologie beruht auf der Erkenntnis, dass aus Wasser
mittels elektrischem Strom Wasserstoff gewonnen werden kann. Der Wasserstoff
kann transportiert werden und an einem beliebigen Ort z.B. in einer Brennstoffzelle
wieder oxidiert werden, wonach die anfänglich zugeführte Energie wieder freigesetzt
wird. Wasserstoff als Ersatz für fossile Brennstoffe wird voraussichtlich einer der
wichtigsten Energieträger der Zukunft.
Kap. 4.1: Energieformen und -Umwandlung
Seite 53
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5.
Elektrische Energie (z.B. aus einem Stromnetz)
Elektrischer Strom ist nicht anderes als ein Strom von Elektronen (Atombausteine, die
vom Atomkern nur schwach angezogen werden), die vom Minus- zum Pluspol
bewegen.
Die Erzeugung von elektrische Strom geschieht vor allem mittels Generatoren
(Dynamos, Alternatoren). Auch aus chemischen Prozessen (Batterien,
Akkumulatoren, Brennstoffzellen) lässt sich elektrischer Strom erzeugen. In vielen
Fällen ist die Stromerzeugung an Ort und Stelle nicht möglich, weshalb er über ein
Stromnetz verteilt wird.
6.
Elektromagnetische Energie (z.B. Radio- und Infra-Rot-Strahlung)
Elektromagnetische Energie pflanzt sich als wellenförmige* Strahlung fort. Auch Licht
ist eine elektromagnetische Strahlung. Diese Energieform wird bereits vielfältig
genutzt u.a. für Beleuchtung, Infra-Rot- und Ultraviolett- Leuchten,
Sonnenkollektoren, Photovoltaik, Laser-Technologie).
Radio- und Telefoniewellen (Handy’s) stellen auch eine Energieform dar. Vor allem
die Benutzung der Handy’s und die damit verbundene möglicherweise schädliche
Auswirkung dieser Energie auf Menschen wird immer wieder diskutiert.
7.
Atomenergie (z.B. aus Kernfusion oder –Spaltung)
Durch Spaltung oder Fusion von Atomkernen lässt sich ebenfalls Energie gewinnen.
Die Kernspaltung ist wegen der grossen Sicherheitsrisiken (aktive und passive
Sicherheit, Abfalllagerung) sehr umstritten. Die Kernfusion ist bereits Realität (sie
findet z.B. auf der Sonne statt), sie ist jedoch auf der Erde technisch noch nicht
umsetzbar.
*)
wellenförmige Energieübertragung:
Bei der Tsunami-Katastrophe Ende 2004 wurde auch die afrikanische Küste getroffen. Der Tsunami
entstand durch ein Erdbeben vor der indonesischen Küste. Die Energie pflanzte sich nicht als
Bewegung einzelner Moleküle fort, sondern durch Energieübertragung auf benachbarte Moleküle (siehe
Newton-Pendel). Energie kann also auch ohne Teilchentransport übertragen werden.
Kap. 4.1: Energieformen und -Umwandlung
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Energiegewinnung:
Die grösste Herausforderung des 21. Jahrhundert besteht darin, die weltweit zunehmende
Nachfrage nach Energie zu decken. Die Ursachen für diesen starken Anstieg sind u.a.
-
Zunahme der Weltbevölkerung
die zunehmende Industrialisierung
das immer grösser werdende Mobilitätsbedürfnis der Menschen
Änderungen im Konsumverhalten der Menschen
Die weitaus wichtigste „Rohstoffquelle“ für die Energiegewinnung (Energieträger) war bis
anhin das Erdöl. Diese Quelle ist jedoch endlich und wird nach letzten Schätzungen in etwa
30 bis 40 Jahren ausgeschöpft sein. Ähnlich sieht es aus bei anderen fossilen Energieträgen
wie z.B. Erdgas, Kohle und Braunkohle. Zudem werden bei der Verbrennung dieser
Energieträger Stoffe in die Umgebung abgegeben, die negative Auswirkungen auf die
Umwelt haben (Kohlendioxid  Treibhauseffekt  Klimaerwärmung).
Eine weitere wichtige Quelle stellen die Wasserkraftwerke da und es werden in diesem
Zusammenhang immer noch Grossprojekte geplant und ausgeführt (China, Brazilien, Turkei,
Rumänien, usw.).
Ein weiterer Teil des Energiebedarfs wird erzeugt in Atomkraftwerken. Diese sind aus
folgenden Gründen sehr umstritten:
-
aktive Sicherheit (Sicherheit während des Betriebes)
es gibt Hunderte von bekannten Störfällen, welche mehr oder weniger glimpflich
ausgegangen sind, der bekannteste ist wohl Tschernobyl in der Ukraine, wodurch
grosse Teile Europas radioaktiv verseucht wurden.
-
passive Sicherheit (Sicherheit gegen Einwirkung von aussen)
Was passiert mit AKW-s bei kriegerischen Auseinandersetzungen und
Terroranschlägen? Wie gut sind sie gesichert gegen Flugzeugabstürzen oder etwa
Erdbeben. Es wird sicherlich alles unternommen um diese Risiken äusserst klein zu
halten, ein Restrisiko mit unvorstellbar grossen Auswirkungen bleibt dennoch.
-
sichere Lagerung von Atomabfällen
Es entstehen hoch-, mittel- und schwachradioaktive Abfälle, die über
Jahrtausende gefährlich bleiben und deren Endlagerung keinesfalls gesichert
ist. Bereits die Endlagerung von schwachradioaktiven Abfällen in Gorleben BRD) ist
heute in Frage gestellt. Die hochradioaktiven Abfälle müssen während der Lagerung
während Tausende von Jahren gekühlt werden.
Diese Probleme bleiben bis heute technisch ungelöst und über die Kostenfrage wurde bis
anhin kaum diskutiert (was kostet das Sicherheits-Dispositiv, wie lange muss es aufrecht
erhalten bleiben, wer trägt die Kosten und, wenn dies die AKW-Betreiber sein sollten, was
passiert wenn sie ihre Firmen liquidieren)
Höchste Zeit also nach alternativen Energiequellen zu suchen.
Kap. 4.1: Energieformen und -Umwandlung
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Energieumwandlung
Jede Energieform kann direkt oder indirekt in eine andere Energieform umgewandelt
werden. Diese Eigenschaft kommt dem Menschen als grosser Energiekonsument sehr
gelegen. Im Alltag wandeln wir elektrischen Strom in Licht, Wärme, Drehbewegung oder
elektromagnetische Wellen um, wir benutzen Erdölprodukte für den Transport von Gütern
und Menschen und wandeln dabei chemische in Bewegungsenergie um.
Die Aufgabe auf Seite 4.1.6 soll Ihnen helfen, sich verschiedenen Umwandlungen, die
Sie alle bereits aus dem Alltag kennen, vor Augen zu führen.
Aufgabe
Die nummerierten Pfeile zeigen einige Umwandlungen zwischen verschiedenen
Energieformen an. Suchen Sie für jede Nummer ein Gerät bzw. einen Vorgang, bei dem die
skizzierte Energieumwandlung stattfindet.
Hinweise:
-
Es sind verschiedene Lösungen möglich.
Es gibt noch wesentlich mehr mögliche Energieumwandlungen
zwischen den dargestellten Energieformen.
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