Erhaltung und Entwertung von Energie

Energiekrise?
Erhaltung und Entwertung von Energie
Jan-Peter Meyn
[email protected]
Q
Q
Physikdidaktisches Kolloquium 12.12.2006
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Q
Energiekrise
Arbeit vs. Energiestrom
Blick auf den Lehrplan
Schulbücher
Entwertung von Energie
Wärme
Lösungsvorschlag
Q
Q
Q
Q
Benzin ist wieder billig
Vorräte steigen durch neu
entdeckte Lagerstätten
Energie ist Erhaltungsgröße
Klimaveränderung
Krieg um Öl
Jeder zivile Uran-Reaktor
erzeugt Plutonium
Plutonium kann chemisch
getrennt werden
1
2
Der Begriff Energie
Q
Sprach-Problematik
wie bei Kraft, Arbeit
Q
Zusätzliche Probleme
O
O
O
Energie ist kein Naturphänomen
Q
Nicht lokalisierbar
Esoterische Verwendung
Energiekrise ist abstrakt
Das Schlimmste, was der Physik sowie mancher anderer
Wissenschaft widerfahren kann, ist, daß man das Abgeleitete für
das Ursprüngliche hält, und, da man das Ursprüngliche aus dem
Abgeleiteten nicht ableiten kann, das Ursprüngliche aus dem
Abgeleiteten zu erklären sucht. Dadurch entsteht eine
unendliche Verwirrung, ein Wortkram und eine fortdauernde
Bemühung, Ausflüchte zu suchen und zu finden, wo das Wahre
nur irgend hervortritt und mächtig werden will.
[Johann W. Goethe: Farbenlehre (1810)]
3
4
Energie aus Sicht eines Physikers
Q
Energie ist…
R. P. Feynman
O
O
O
Autor der Feynman Lectures, div. Lehrbücher
Nobelpreis 1965
Autobiographie: Surely you‘re joking, Mr. Feynman
Q
Feynman: We have no knowledge of what energy is
[Lectures Ch. 4.1]
Q
KPK: Um etwas zu bewegen, braucht man Energie
Netzwerk 8: Energie ist nötig, damit Vorgänge überhaupt ablaufen.
Q
5
6
E = mc²
Q
Energie und Arbeit
Konsequente Klärung der Begriffe Energie und Masse
O
Q
Ergebnis der Speziellen Relativitätstheorie
Grimsehl-Schule: Zirkelschluss zu Arbeit und Energie
O
O
Q
Energie hat Eigenschaften, nämlich Trägheit und Schwere
O
Q
Trägt sicher wenig zum Verständnis bei
Hammer 9A, Impulse I
O
O
O
Q
Arbeit ist Kraft mal Weg
Vorrat an Arbeitsfähigkeit nennt man die mechanische Energie
Höhenenergie ist die durch Hubarbeit vermittelte Energie
Netzwerk 8: Energie ist nötig, damit Vorgänge überhaupt ablaufen.
O
O
7
Verrichtet man an einem Körper Arbeit, so steigt seine Energie
Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten
Arbeit als eine Übertragungsform der Energie
Gibt es auch andere Übertragungsformen?
8
Ist Arbeit notwendig?
Energiestrom statt Arbeit
Verwechslung von Kraft und Energie: Ein Körper hat Energie, aber
keine Kraft [Herrmann/Job: Altlasten der Physik]
Q
O
Q
Vermeide Verbindung von Energie und Kraft über dW=Fds
Q
Karlsruher Physikkurs (KPK) kommt ohne Arbeit aus
Q
Landau-Lifschitz: Arbeit erst in der Thermodynamik
Feynman: Arbeit aus Tradition in Ch. 13
Energie fließt (über einen Träger) von A nach B
O
O
O
Q
O
Q
Weit später als Energie (4), Gravitation (7), Newton‘s laws (9)
Energiestrom ist kompatibel mit allen Energieträgern
O
O
Arbeit ist Begriff der täglichen Sprache
Q
O
O
Energiestromstärke ist die Leistung
Arbeit ist das Zeitintegral über die Leistung
Demnach ist Arbeit die geflossene (übertragene) Energiemenge
Vor allem auch mit dem Energieträger Licht
Man sagt z. B. nicht, das Licht habe Arbeit an einem
Solarhubschrauber verrichtet.
Es ist ungeschickt, einen Begriff physikalisch umzudefinieren, den
man eigentlich nicht braucht.
Aussagen über Arbeit erscheinen sinnlos, z.B. Wer einen Koffer 10km
weit trägt, verrichtet keine Arbeit
9
10
Zusammenfassung: Arbeit und Energie
Q
Q
Q
Energie ist Alltagsbegriff mit esoterischer Belastung
Einzige tragfähige Definition über Erhaltungssatz
Energiearten oder Energie?
O
Q
Der G8-Lehrplan für Klasse 8
Q
Die Energie als Erhaltungsgröße (16 Stunden)
O
Behauptung: Unterscheidung von Abwasser, Trinkwasser, Grundwasser
macht die Theorie der Wasserströmungen nicht klarer (KPK)
Q
Zeit ist viel zu kurz, s.o. und vgl. Vortrag C. v. Aufschnaiter
Aufbau der Materie und Wärmelehre (17 Stunden)
O
Basierend auf Teilchenmodell
Arbeit als Übertrag von Energie, geflossener Energiestrom
Q
11
Elektrische Energie (18 Stunden)
12
Lehrplan G8
Q
Q
Teilchenmodell ist unnötig
Bereits in Jahrgangsstufe 5 haben sich die Schüler im Fach Natur
und Technik einfache Aussagen des Teilchenmodells erarbeitet.
Dieses Modell wird jetzt für eine genauere Vorstellung vom
Aufbau der Materie in verschiedenen Aggregatzuständen und zur
Deutung der inneren Energie genutzt
Zwang zur „Erklärung“ der Phasenübergänge?
Q
O
Mikroskopische Deutung der Inneren Energie
Q
O
Übersetzung: Die Kinder sind ohne jegliche phänomenologische
Betrachtung schon im Alter von 10 Jahren mit dem
mikroskopischen Teilchenmodell traktiert worden. Damit wird
sichergestellt, dass Schüler makroskopische Vorstellungen von
der Mikrowelt entwickeln („zwischen den Teilchen ist Luft,…“) und
der bewusste modellhafte Zugang zur Mikrowelt prinzipiell
verschlossen bleibt.
Vgl. KPK ohne Teilchenmodell Ch. 12.2, 12.3
O
Ideales Gas: Ekin
Kondensation: Da wird’s kompliziert!
Teilchen-Eigenschaft ist nirgends relevant
Witz der Thermodynamik: Ersetze 1023
Bewegungsgleichungen durch T,S,E o.ä.
Q
Q
13
Fließt Wärme von den schnellen Teilchen
weg zu den langsamen Teilchen ?
14
Schülervorstellungen zum Teilchenmodell
Q
Q
Gefahr von Fehlvorstellungen bei mikroskopischer Betrachtung
„Wenn Gase erwärmt werden, dehnen sich die
Teilchen in dem Gas aus und es entsteht dabei Druck.
Dabei werden die Kollisionskräfte überwunden und die
Teilchen drücken sich voneinander weg.“ [9. Klasse HHG
Kaiserslautern]
Q
Übersichtsartikel Fischler und Duit in:
Müller/Wodzinski/Hopf
O
Argon
T = 1200K
v = 400m/s
Helium
T = 300K
v = 1260m/s
O
O
O
O
15
Teilchen haben Eigenschaften des makroskopischen
Körpers
– Benutze bewusste Modelle (Kastanien, Enten,…)
Die Bewegung hört nach gewisser Zeit von allein auf
Wärme entsteht bei der Kollision von Teilchen
Zwischen den Teilchen befindet sich Luft
– Aufbau der Luft diskutieren
Zwischen den Teilchen eines Stoffes befindet sich der
Stoff in kontinuierlicher Form
– Vermeide: Teilchen befinden sich in einem Stoff
16
Schulbuchvorstellungen zum Teilchenmodell
Cornelsen Physik und Chemie 5/6
Energieentwertung
17
18
[Galileo 8]
Ein klarer Satz zur Energieentwertung?
Q
Noch ein Beispiel
Hammer et al., p.84:
Bei den Verbrennungsmotoren geht ein großer Teil der bei der
Verbrennung frei werdenden Energie in die Umgebung über.
[…] Diese innere Energie kann deshalb ohne zusätzlichen
Aufwand nicht mehr genutzt werden. Man sagt, die Energie ist
entwertet.
Es gibt allerdings inzwischen Maschinen (sogenannte
Wärmepumpen), die es ermöglichen, diese entwertete Energie
teilweise wieder zu nutzen. Allerdings muss man dazu
zusätzliche Energie aufwenden.
Q
Q
Q
Q
19
Vertiefungsthema = kein kanonischer Stoff
Absurdes Beispiel
Fachlich falsches Beispiel im Text: Zucker auflösen → Abkühlung
Irreführend: Für den umgangssprachlichen (!!!!) Begriff
Energieentwertung gibt es den physikalischen Fachbegriff
Entropie. (Entropie ist extensive Zustandsgröße)
20
Präkonzepte
Wärme
Q
Alltagstaugliches Konzept zur Wärme ist überlebensnotwendig
Q
Fehlende Trennung der intensiven Größe Temperatur und der
extensiven Größe Wärmemenge
Falsche Erklärung künstlicher Situationen
Q
O
Q
Zusammenschütten zweier Gläser mit Wasser von 20°C ergibt
Wassermenge mit höherer Temperatur (26% der Schüler!)
[Wiesner in: Müller et al. Schülervorstellungen]
Unterscheidung von Wärme und Kälte: Verschiedene Näherung
O
O
Ein warmer Löffel kühlt sich in Wasser ab, das Wasser bleibt kalt.
Ein kalter Löffel kühlt das Wasser ab.
Q
Wärmetransport wird erst ab 11J gedacht
Q
R. Duit: Wärmevorstellungen, in: Müller/Wodzinski/Hopf
21
22
Was ist Wärme?
Q
Temperatur
Wir werden die ganze Wärmelehre auf Fragen dieser
Artaufgebaut sehen: Inwiefern sind innerhalb des Gebietes der
Wärmeverhältnisse Naturprozesse umkehrbar und inwiefern
sind sie es nicht (Rudolf Steiner, Wärmekurs 1920)
Q
Q
Q
Q
Q
23
ist das, was das Thermometer anzeigt
ist proportional zur Ausdehnung eines idealen Gases (BergmannSchäfer, Alonso-Finn)
ist bis auf eine Konstante die Energie eines idealen Gases
(Gerthsen, Feynman, etc.)
ist die Bezeichnung der Äquivalenzklasse aller Körper im
thermischen Gleichgewicht
dS/dE = 1/T (LL Bd. V) aus Forderung für thermisches
Gleichgewicht, Boltzmann-Definition der Entropie
24
Wärmemenge
Kinetische Def. Temperatur in der Schule
Q
Aus einer Studie [M. Manthei, Physik in der Schule 18 (1980)
389-398, zitiert nach Müller/Wodzinski/Hopf]
O
O
O
O
Q
Wärmemenge als Energie
O
8. Klasse Einführung über mittlere Kinetische Energie
Am Ende des Schuljahres: 77% argumentieren mit Ekin
Am Ende des 9. Schuljahres: 11% argumentieren mit Ekin
Am Ende des 10. Schuljahres: Nach Wiederholung argumentieren
40% mit Ekin, viele allerdings physikalisch falsch.
O
O
Konventionelle Definition, Bezeichnung Q
Unvollständiges Differential δQ = dU - δW
Q ist keine Zustandsgröße: Betrachte Carnot-Maschine
Q
Diskrepanz bei einem Gas im Kolben: Die Temperatur wird
bestimmt durch die innere Energie U, die extrahierbare
Wärmemenge Q hängt von den Details des Prozesses ab
Q
Innere Energie und Wärme beschreiben statisches Prozesse
O
O
Innere Energie als Zustandsgröße
Wärme Q als Prozessgröße
25
Wärme und Innere Energie
Q
Q
Q
G8-Chaos der Begriffe
Alle Energie, die in einen Körper eingebracht wird, sammelt sich
dort an. Die innere Energie bestimmt die Temperatur
Innere Energie ist im Einklang mit Energieerhaltungssatz
Innere Energie reicht nicht aus, um Natur zu erklären
O
O
Q
26
Bilanzgleichung 1. Hauptsatz
Entropiegleichung 2. Hauptsatz fehlt
Zweite Energieart thermischer Natur ist unumgänglich
O
Bsp. Netzwerk 8: Q ist Wärmeenergie, U ist thermische Energie
Netzwerk 8
27
28
Energieentwertung
Q
O
O
Q
Q
H. L. Callender, Proc. Phys. Soc. London 23 (1911) 153.
Q
Scheinbar problematische Punkte (leicht lösbar)
Q
Übergeordnetes Lernziel: Verantwortlicher Umgang mit Ressourcen
Praktischer Aspekt: Preis für 1kWh Strom, Erdgas
Mit „Abwärme“ kann man nichts anfangen
O
Q
„Wärmetod“ des Universums
Reibung erzeugt Wärme
Wärme im Zusammenhang mit Unordnung
Q
Elektrische Energie ist hochwertiger als Wärmeenergie
O
Q
Entropie als Wärmebegriff
Warum kann man 10l Wasser bei T=50°C nicht zum Kaffe kochen
nehmen, obwohl viel Wärme drin steckt?
Idee: Betreibe Atomkraftwerke mit zwei Turbinen in Reihe: a) von
350°C bis 200°C, b) von 200°C bis 30°C. Warum bringt das nichts?
O
O
O
Zwei Antworten möglich
O
O
Carnot-Zyklus durchrechnen
Einführung der Entropie
Q
Mischungsentropie
Erzeugung von Entropie bei Diffusionsprozessen
Messung der Entropie in unbekannter Einheit Ct
Karlsruher Physikkurs benutzt Entropie als Wärmebegriff
O
Nachgewiesener Erfolg im Unterricht
29
30
Rudolf Steiner zur Wärme (1920)
Feynman-Lectures
Q
Q
Q
[Wärmekurs, GA 321, p 14]: An nichts leiden wir heute mehr,
gerade in den sogenannten exaktesten Wissenschaften, als an
unklaren, undurchschaubaren Begriffen
Wir werden die ganze Wärmelehre auf Fragen dieser Art
aufgebaut sehen: Inwiefern sind innerhalb des Gebiets der
Wärmeverhältnisse Naturprozesse umkehrbar, und inwiefern
sind sie es nicht.
Q
Q
Q
Q
Q
Q
31
Heat is generated in an object when it rubs another with friction
(13-3)
Ch. 44. The determination of the relationship among the various
properties of materials, without knowing their internal structure, is
the subject of thermodynamics. Historically..
We shall use the first law from the start, despite the fact that a
great deal can be done without it
44-2 Second law
44-3 Carnot machine
44-4: Reversible Engine, Q1/T1 = Q2/T2 = S, that is the center of
the universe of thermodynamics
dE=TdS im Mittelpunkt, ohne Teilchen, traditionelle Begriffe
32
Argumente für: Entropie = Wärme
dE = TdS
Q
Q
Einfache Formulierung (s.u.)
Keine „Prozessgrößen“
Entwertung der Energie wird präzisiert
Carnot-Wirkungsgrad fällt nebenbei ab
Aufwärtskompatibel zur statistischen Mechanik
Q
Literatur
Q
Q
Q
Q
O
O
O
O
Im KPK: Begründung über Wärmepumpe im KPK
O
O
O
O
Q
H. U. Fuchs, Am. J. Phys. 54 (10), 907-909 (1986) (Sarkastischer
Artikel zur Elektrizitätslehre ohne Ladung)
G. Job: Neudarstellung der Wärmelehre, www.job-stiftung.de
Falk und Ruppel: Energie und Entropie
F. Herrmann: Karlsruher Physikkurs
Q
Entropiepumpe transportiert von niedriger zu hoher Temperatur
Energie wird vom Träger Elektrizität auf Entropie umgeladen
Daher ist die Energie auf dem Entropiestrom am warmen Ausgang höher
Probleme
– Wärmepumpe im engeren Sinn ist unbekannt, Kühlschrank zielt auf
Entropieverminderung
– Erzeugung von Entropie ist nicht a priori ausgeschlossen
Verwechslungsgefahr: Bei konstanter Stoffmenge wachsen sowohl
Entropie als auch Energie mit der Temperatur
Plausibilität über Analogien, Abstraktionsvermögen notwendig
O
O
O
Druckluftantrieb dE = pdV
Elektrischer Antrieb dE = ϕdQ
Chemischer Antrieb dE = µdN
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34
dE = TdS ist schwierig, aber…
Q
Erzeugung von Entropie
Die Alternative ohne Entropie ist schlimmer
O
O
O
Q
Carnot-Zyklus mit idealem Gas durchrechnen?
Mathematisch argumentieren: dQ ist kein vollständiges Differential?
Was genau sagt der 2. HS? Es gibt keine Maschine, die…
O
O
O
Q
Q
Entropie entsteht bei Fließvorgängen in Widerständen
Man kann sehr viel damit anfangen.
Elektrischer Strom im Leitungswiderstand
Viskose Wasserströmung
Also auch bei einem Entropiestrom durch Wärmewiderstand
Quantitativ:
O
O
Durch den Wärmewiderstand besteht eine Temperaturdiffenz
Energieerhaltungssatz, T1dS1=T2dS2
dE=T1S1
35
dE=T2dS2
36
Wärmekraftmaschine
Wärmekraftmaschine als Entropiemühle
Q
Analogie zur Wassermühle oder Windmühle
Q
Entropie fließt von Stellen hoher zu Stellen niedriger Temperatur
O
O
O
Q
Q
dS
Wärmekraftmaschine im Entropiestrom
Energie wird vom Entropiestrom auf Drehimpulsstrom umgeladen
Man kann nur einen Teil der Energie nutzen, weil immer ein Rest
auf dem Entropiestrom bleibt (T2 wird nicht beliebig klein)
dE1=T1dS
dE2=T2dS
dE
Genau wie Wassermühle: Die Geschwindigkeit des strömenden
Wassers wird reduziert, aber nicht bis auf Null.
O
Die ideale Wärmekraftmaschine ist so gebaut, dass keine
Reibung da ist, also keine Entropie erzeugt wird.
Q
Energie und Entropie konstant: dEm = dE1 - dE2 = (T1-T2)dS
Q
Bezogen auf die eingesetzte Energie: dEm/ dE1 = (T1-T2)/T1
Bei der Kaplan-Turbine geht es ziemlich, aber nicht beliebig gut
37
38
Beispiel: Kraft-Kraft-Kopplung
Q
Q
Q
Gasturbine: T3=1600K, T4=900K
Q
Realität: Teilchenmodell ohne Statistik, Wärme ohne Zustand
Q
1. These: Die krasse Diskrepanz zwischen didaktischer
Erkenntnis und tatsächlichen Lehrinhalten ist Grund für das
Nischen-Dasein der Wärmelehre
Q
2. These: Die Wärmelehre ist das Teilgebiet der Physik mit dem
größten Nutzen für die Gesellschaft (Klafki: epochaltyp. Problem)
O
O
Entropie wird im Kondensator übertragen
T3 kann nicht größer gemacht werden: Materialproblem Kessel
Das GuD-Kraftwerk hat zwei Entropiemühlen in Serie
O
Energieentwertung wird ersetzt durch Entropieerzeugung
T4 kann nicht kleiner gemacht werden: Einströmende Entropie
muss aus der Maschine wieder herausströmen
Dampfturbine: T3=950K, T4=300K
O
Q
Wunsch: Wärme = Entropie, homogene Medien
GuD-Kraftwerke haben Gas- und Dampfturbine
(Vortrag Prof. Riedle)
O
Q
Fazit Wärmelehre
Analogie: Windmühlen für hohe und niedrige Windgeschwindigkeit
39
40
Lösungsvorschlag
Q
Problem des modellbasierten Konzepts Energie ignorieren
O
O
Kindgerechte Reform des Lehrplans ist unwahrscheinlich
Juristisches Problem: Lehrplan darf nicht komplett ignoriert werden
Q
Eigenmächtige Einführung der Entropie als Wärme
Q
Lehrbuch selbst schreiben (Schüleraktivität)
O
O
Q
Spezialisierung: Energiesparen = Entropieerzeugung vermeiden
O
O
Q
Sehr gute Dokumentation der Unterrichtsinhalte im Schülerheft
Karlsruher Physikkurs als Anregung
Alltagsbezug
Schülerexperimente möglich (vgl. Vortrag Stephanie Seumer)
Erfolg des eigenen Unterrichts als Antwort auf Kritiker
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