Energie – Energietransport Energieumwandlung Leistung

1
Energie –
Energietransport
Energieumwandlung
Leistung
2
Inhalt
Energieumwandlung: chemische Energie in Wärmeenergie (1)............................................................. 3
Energieumwandlung: chemische Energie in Wärmeenergie (2)............................................................. 4
Energieumwandlung: chemische Energie in Bewegungsenergie........................................................... 5
Energieumwandlung: Wärmeenergie in Bewegungsenergie .................................................................. 6
Arbeit und Leistung des menschlichen Körpers beim Stiegensteigen.................................................... 7
Leistungsvergleich: kalter Draht – heißer Draht...................................................................................... 8
Leistungsvergleich: elektrische Kaffeemühle – Handmahlen ................................................................. 9
Vergleich des Wirkungsgrads einer Glühlampe und einer Sparlampe (qualitativ) ............................... 10
Bestimmung des Wirkungsgrads einer Halogenlampe (quantitativ) ..................................................... 11
Wirkungsgrad eines Elektromotors mit Getriebe (quantitativ)............................................................... 12
Wirkungsgrad eines unbelasteten Experimentiertransformators (quantitativ) ...................................... 13
Wirkungsgrad eines belasteten Experimentiertransformators (quantitativ) .......................................... 14
Transport elektrischer Energie bei unterschiedlichen Spannungen ..................................................... 15
3
Energieumwandlung: chemische Energie in Wärmeenergie (1)
Material:
Reibschale mit Pistill, Porzellanschale, Spatel, Tropfpipette, feuerfeste Unterlage,
Kaliumpermanganat, Glycerin
Beschreibung:
Ein Chemikalienlöffel Kaliumpermanganat wird in der Reibschale fein zerrieben und
in die Porzellanschale gebracht. Auf das Pulver tropft man wenig Glycerin.
Beobachtung:
Das Gemisch entzündet sich nach einigen Sekunden.
Erklärung:
Der Sauerstoff zur Verbrennung des Glycerins wird vom Kaliumpermanganat geliefert. Die bei der Oxidation entstehende Wärme führt zur Selbstentzündung.
4
Energieumwandlung: chemische Energie in Wärmeenergie (2)
Reagenzglas
Spiritus
Material:
Stativ und Stativmaterial, Becherglas, Reagenzglas, Kaliumpermanganat, konzentrierte
Schwefelsäure, Spiritus, Pipette
Kaliumpermanganat
Beschreibung:
Dieser aus der Literatur unter dem Namen
konzentrierte
„Blitze unter Wasser“ bekannte Versuch kann
Schwefelsäure
auch folgendermaßen durchgeführt werden:
Becherglas mit
In einem Reagenzglas wird konzentrierte
Kühlwasser
Schwefelsäure mit mindestens 4 cm Spiritus
derart überschichtet, dass es zu keinen Vermischungen kommt. Das Reagenzglas wird im Kühlwasser fixiert. Nun wirft man
kleine Kaliumpermanganatkristalle in das Reagenzglas.
Beobachtung:
Nach kurzer Zeit entstehen an der Grenzfläche blitzartige Funken.
Erklärung:
Bei der Reaktion wird chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und Sauerstoff aus dem Kaliumpermanganat freigesetzt. Beide Reaktionen führen an der
Grenzfläche zwischen Schwefelsäure und Spiritus zu einer Entzündung des Alkohols.
Hinweise:
• Die angegebene Überschichtung mit mindestens 4 cm Spiritus ist unbedingt
einzuhalten. Wenn die Spiritusschicht zu dünn ist, kann der „Blitz“ durchschlagen
und den Spiritus entzünden.
• Bei der „Entsorgung“ setzt sich der Spiritus in Brand. Höchste Vorsicht!
5
Energieumwandlung: chemische Energie in Bewegungsenergie
Lose aufgesetzter
Deckel
Papprohr mit
Ether-Luft(Sauerstoff-)
Gemisch
Material:
Papprohr mit Deckel, Gummistopfen, Ether,
Tropfpipette, Holzspan, Gasbrenner, Schutzhandschuhe, Schutzbrille, allenfalls Sauerstoffflasche
Durchführung:
In das untere Ende des Papprohrs wird ein
Loch gebohrt, dessen Durchmesser so groß
ist, dass es mit einem Gummistopfen verbrennender
Holzspan
schlossen werden kann.
Nachdem man in das Rohr einige Tropfen
Ether gegeben hat, wird es mit dem Deckel
verschlossen und einige Zeit geschwenkt, sodass sich die Etherdämpfe mit der Luft
gut durchmischen. Das Gasgemisch wird mit einem brennenden Holzspan entzündet.
Ergebnis:
Es erfolgt eine heftige (aber ungefährliche) Explosion.
Erklärung:
Ether im flüssigen Zustand ist eine leicht entzündbare Flüssigkeit. Im gasförmigen
Zustand führt die wesentlich größere Oberfläche zu einer explosionsartigen Verbrennung.
Sicherheitshinweis:
Schutzhandschuhe und Schutzbrille sind erforderlich, weil beim Entzünden des Gemischs manchmal eine Stichflamme aus der Zündöffnung schießt.
Tipp:
Die Explosion wird noch heftiger, wenn die Verbrennung des Ethers in reinem Sauerstoff (Sauerstoffflasche) erfolgt.
6
Energieumwandlung: Wärmeenergie in Bewegungsenergie
Schnur
zu „Düsen“
ausgezogene
Glasrohre
Stativstab
doppelt gebohrter
Gummistopfen
Material:
Kochkolben, doppelt gebohrter Gummistopfen, 2 gewinkelte „Glasdüsen“, Schnur, Stativ und Stativmaterial, Brenner
Beschreibung:
Ein Kochkolben mit wenig Wasser wird mit
einem doppelt gebohrten Gummistopfen
verschlossen, in dem zwei gewinkelte, zu
„Düsen“ ausgezogene Glasrohre stecken,
und mit einer Schnur an einem Stativ aufgehängt. Das Wasser wird mit einem Brenner bis zum Sieden erhitzt.
Beobachtung:
Der aus den Düsen austretende Dampf versetzt den Kolben in Drehbewegung.
Erklärung:
Wärmeenergie wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Das „Dampfrad“ dreht sich
nach dem Prinzip von Kraft und Gegenkraft.
7
Arbeit und Leistung des menschlichen Körpers beim Stiegensteigen
Material:
Maßband, Stoppuhr, Badezimmerwaage, Taschenrechner
Durchführung:
Die Höhendifferenz zwischen dem Erdgeschoss und einem Stockwerk des Schulhauses wird mit einem geeigneten Maßband gemessen. Ein Schüler oder eine Schülerin läuft nun im Stiegenhaus bis in dieses Stockwerk. Die Laufzeit wird gestoppt
und die Masse des Schülers oder der Schülerin wird mit der Badezimmerwaage festgestellt.
Æ Aus den gemessenen Werten werden die Hubarbeit und die Hubleistung berechnet.
(Mögliches) Ergebnis:
Masse:
m = ____ kg
Gewicht: Fg = ____ N
Höhendifferenz: h = ____ m
„Laufzeit“:
t = ____ s
Berechnung der Hubarbeit:
Whub = Fg * h = ____ * ____ = _____ J
Berechnung der Hubleistung:
Phub = Whub / t = ____ / ____ = ____ W
8
Leistungsvergleich: kalter Draht – heißer Draht
Messung von U1
Messung von U2
V
V
A
Material:
Netzgerät, Amperemeter, 2 Voltmeter, Eisendraht (Durchmesser: 0,5 mm), Leitungen,
Haartrockner, Taschenrechner
Durchführung:
a) 2 gewendelte Eisendrähte (je ca. 10 Windungen) werden in Serie geschaltet. Die Spannung wird am Netzgerät so eingestellt, dass
beide Drähte schwach glühen. Die Teilspannungen U1 und U2 sowie die Stromstärke I
werden von den Messgeräten abgelesen und
aufgeschrieben.
b) Einer der beiden Eisendrähte wird nun mit dem Haartrockner gekühlt. Der andere
Eisendraht wird beobachtet und die geänderten Messwerte werden notiert.
Beobachtung:
Während man den einen Draht abkühlt, beginnt der andere stärker zu glühen.
Erklärung:
Während sich die Stromstärke im Versuch b) nur wenig ändert, steigt die Spannung
am ungekühlten Draht wesentlich an. Da die elektrische Leistung das Produkt aus
Spannung und Stromstärke ist, erhöht sich auch die umgesetzte Leistung, was das
Glühen des Drahts erklärt.
Anwendungsbeispiel:
An einem zerlegten (unbrauchbaren) Haartrockner kann man sehen, dass die (nicht
gekühlten) Zuleitungen zum Heizdraht eines Haartrockners einen größeren Durchmesser haben als der durch den Luftstrom gekühlte Heizdraht. So wird ein „Durchbrennen“ der Zuleitungen verhindert.
9
Leistungsvergleich: elektrische Kaffeemühle – Handmahlen
Material:
elektrische Kaffeemühle, handbetriebene Kaffeemühle, Kaffeebohnen, Energie- und
Leistungsmessgerät, Stoppuhr, Taschenrechner
Durchführung:
In die elektrische Kaffeemühle und die Handmühle leert man die gleiche (geringe)
Menge Kaffeebohnen.
Zuerst reibt man die Bohnen mit der elektrischen Mühle, misst die elektrische
Energie mit dem Energie- und Leistungsmessgerät und stoppt die Zeit für den
Mahlvorgang.
Dann wiederholt man den Mahlvorgang mit der Handmühle und stoppt die dafür
aufgewendete Zeit.
Da die aufgewendete Arbeit bei beiden Mahlvorgängen gleich ist, lässt sich aus den
Messwerten die Leistungen beim Handmahlen und beim elektrischen Mahlen
berechnen.
(Mögliche) Ergebnisse:
Elektrische Arbeit:
Mahlzeit:
Elektrische Leistung:
Wel = _____ Wh = ____ Ws = ____ J
t = ____ s
Pel = Wel / t = ____ / ____ = ____ W
Mechanische Arbeit (= elektrische Arbeit): Wmech = ______ J
Mahlzeit:
t = ____ s
Mechanische Leistung: Pmech = Wmech / t = ____ / ____ = ____ W
10
Vergleich des Wirkungsgrads einer Glühlampe und einer Sparlampe
(qualitativ)
Stoppuhr
Thermometer
Sparlampe
(Glühlampe)
Styroporgefäß
Material:
Glühlampe und Sparlampe in „Baustellenfassung“ mit Stecker, Stoppuhr, großer Styroporbehälter, Thermometer
Beschreibung:
Aus dem Deckel eines großen Styroporgefäßes wird ein Loch geschnitten, durch das
der Stecker passt. Weiters wird ein Loch gebohrt, durch das das verwendete Thermometer passt.
Zuerst wird das Experiment mit der Sparlampe
durchgeführt, dann mit der Glühlampe.
Beobachtung:
Während sich der Innenraum des Styroporbehälters bei Verwendung der Sparlampe
nur mäßig erwärmt, ist der Temperaturanstieg bei der Glühlampe wesentlich höher.
Erklärung:
Bei der Sparlampe wird ein höherer Teil der zugeführten elektrischen Energie in
Lichtenergie umgewandelt als bei der Glühlampe.
11
Bestimmung des Wirkungsgrads einer Halogenlampe (quantitativ)
Material:
Netzgerät, Halogenlampe (12 V / 23 W), Styroporbehälter (z. B. Transportbehälter aus
dem Eisgeschäft), Thermometer (mit 0,1 °C
Einteilung), Stoppuhr, Taschenrechner
12 V
Thermometer
Durchführung:
Den Versuchsaufbau zeigt die Abbildung.
Halogenlampe
•
•
•
•
•
Stoppuhr
Weitere Arbeitsschritte:
• Messen der Anfangstemperatur des Wassers
Einschalten der Halogenlampe – Beginn der Stoppung
Ständiges Schwenken des Behälters während des Betriebs der Halogenlampe –
Temperaturanstieg laufend beobachten
Temperaturanstieg von z. B. 1 °C abwarten – Stoppung beenden
Temperaturanstieg und gestoppte Zeit in die Tabelle eintragen
Wirkungsgrad berechnen
(Mögliche) Ergebnisse:
Masse des Wassers:
Leistung der Halogenlampe:
Anfangstemp. des Wassers:
Einschaltdauer:
Endtemperatur des Wassers:
Temperaturdifferenz:
m = _____ kg
P = _____ W
_____ °C
t = _____ s
_____ °C
T = _____ °C
Zugeführte elektrische Energie:
Wzu = P * t = ____ * ____ = _____ Ws = _____ J
Von der Halogenlampe abgegebene Wärmeenergie: (c ˜ 4 200 J / kg * K)
Wab = c * m * T = ______ J
Wirkungsgrad:
1 – Wab / Wzu = 1 – _____ = _____
12
Wirkungsgrad eines Elektromotors mit Getriebe (quantitativ)
Stoppuhr
Motor mit
Übersetzung
Material:
Regelbare Gleichstromquelle, Gleichstrommotor
mit Übersetzung (z. B. Grillermotor), Voltmeter,
Amperemeter, Leitungen, Schnur, Gewicht mit 1 N,
Stativ und Stativmaterial
A
Beschreibung:
Der Motor wird mit Stativ und Stativmaterial so fiV
xiert, dass sein Abstand vom Tisch ca. 0,1 m beträgt. Mithilfe der Schnur wird das Gewicht mit der
Welle des Motors verbunden. Während der eingeschaltete Motor das Gewicht nun 0,1 m hoch hebt,
werden Spannung, Stromstärke und Zeit gemessen.
1N
Ergebnis:
Die zugeführte elektrische Energie wird nach der Formel
Wzu = U * I * t errechnet, die mechanische Arbeit nach
Wab = Gewicht * Hubhöhe.
Aus diesen beiden Werten kann der Wirkungsgrad des Motors nach der Formel
Wirkungsgrad = Wab / Wzu bestimmt werden.
Meist beträgt der so errechnete Wirkungsgrad nur wenige Prozent.
Tipp:
Die Abhängigkeit des Wirkungsgrads des Elektromotors von der Belastung kann gezeigt werden, wenn man das gehobene Gewicht verändert.
13
Wirkungsgrad eines unbelasteten Experimentiertransformators
(quantitativ)
Energie- und
Leistungsmessgerät
1 200
1 200
Material:
Experimentiertransformator (Primärspule und Sekundärspule mit je 1 200 Windungen), Energie- und Leistungsmessgerät, Leitungen
Energie- und
Leistungsmessgerät
Durchführung:
Die elektrische Energie wird etwa 2 Minuten lang zunächst im Sekundärstromkreis, dann im Primärstromkreis gemessen.
(Mögliche) Ergebnisse:
Energie im Sekundärstromkreis: 0 Wh
Energie im Primärstromkreis (nach etwa 2 Minuten): _____ Wh
Erklärung:
Obwohl im Sekundärstromkreis keine Energieumwandlung durch ein Elektrogerät
stattfindet, zeigt das Messgerät im Primärstromkreis einen „Energieverbrauch“ an,
weil Wirbelströme den Eisenkern erwärmen. Elektrische Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt.
14
Wirkungsgrad eines belasteten Experimentiertransformators
(quantitativ)
Energie- und
Leistungsmessgerät
230 V
1 200
1 200
Energie- und
Leistungsmessgerät
Material:
Experimentiertransformator (Primärspule und Sekundärspule mit je
1_200 Windungen), Glühlampen (230
V / 40 W, 230 V / 60 W, 230 V / 100
W),
Energieund
Leistungsmessgerät, Leitungen, Stoppuhr,
Taschenrechner
Durchführung:
In den Sekundärstromkreis werden nacheinander Glühlampen unterschiedlicher
Leistung geschaltet. In beiden Stromkreisen wird jeweils die elektrische Leistung gemessen. Aus den Messergebnissen werden die Leistungsverluste berechnet.
(Mögliche) Ergebnisse:
40 W
Glühlampen
60 W
100 W
Primärleistung
Sekundärleistung
Leistungsverlust
Erkenntnis:
Die Energieübertragung beim Transformator ist mit Leistungsverlusten verbunden.
Die Größe des Leistungsverlusts hängt von der Sekundärleistung ab.
15
Transport elektrischer Energie bei unterschiedlichen Spannungen
a
12 V / 20 W
Material:
Netzgerät, Halogenlampen (12 V / 20 W), Glühlampe (230 V / 25 W), Voltmeter, Amperemeter, Konstantandraht (Durchmesser: 0,2 mm), 2 Isolierständer, Krokoklemmen, Leitungen, Streichhölzer, Holzstab, Klebeband
14-16 V
b
230 V / 25 W
Durchführung:
Zur Vorbereitung des Verständnisses, warum elektrische Energie über größere Entfernungen mit hoher Spannung übertragen werden kann, kann ein
Experiment wie in der Abbildung aufgebaut werden:
230 V
a) Zwischen die beiden Isolierständer wird ein ca. 10
cm langer Konstantandraht (Durchmesser: 0,2 mm)
gespannt und in Serie mit der 12 V / 20 W-Halogenlampe geschaltet. Nachdem die
Schaltung mit der Stromquelle (14-16 V Gleich- oder Wechselspannung) verbunden
wurde, hält man ein Streichholz an den Konstantandraht.
b) Das Experiment wird mit der 230 V / 25 W-Glühlampe wiederholt.
Um bei Annährung des Streichholzes einen Körperkontakt mit der 230 V-Leitung
auszuschließen, wird das Streichholz mithilfe eines Holzstabs „verlängert“.
Beobachtungen:
Nur wenn die 12 V / 20 W-Halogenlampe in den Stromkreis geschaltet wird,
entzündet sich das Streichholz. Bei Verwendung der 230 V / 25 W-Lampe ist dies
nicht der Fall.
Erklärung:
Auf beide Lampen wird (annähernd) dieselbe elektrische Leistung (Energie) übertragen.
Für diese Leistungsübertragung (Energieübertragung) gibt es zwei Möglichkeiten:
• bei geringer Spannung mit hoher Stromstärke oder
• bei hoher Spannung mit geringer Stromstärke
Im ersten Fall kommt es zu (unerwünschten) Verlusten durch Erwärmung des Leiters.