8. Klasse

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Jahrgangsstufe 8
Jahrgangsstufe 8
Bewegungsenergie
Energieprinzip Energie tritt in vielen Arten auf, die sich ineinander um­
wandeln können. ↑9 Ohne Eingriff von außen ändert sich die Gesamt­
energie eines Systems nicht, Energie kann im System weder erzeugt noch
vernichtet werden (Energieerhaltungssatz).
Elektrische
Energie
Höhenenergie
Innere Energie
Chemische Energie
Strahlungsenergie
9
Spannenergie
Goldene Regel der Mechanik Für alle Kraftwandler gilt: Was man an
Kraft spart, muss man an Weg zulegen (und umgekehrt).
Das Produkt aus konstanter Kraft Fs in Wegrichtung und Weg ∆s bleibt
(für denselben Zweck) stets gleich groß: Fs · ∆s = konstant. ↑10
große Kraft,
kleiner Weg
FG
FG · ∆h = Fs · ∆s
∆s
∆h
kleine Kraft,
großer Weg
Fs
10
Mechanische Energie Die mechanischen Energieformen lassen sich auf
zwei Grundformen zurückführen: kinetische und potenzielle Energie.
Die Energie eines Gegenstands der Masse m, der um die Höhe ∆h angeho­
ben oder auf die Geschwindigkeit v beschleunigt wurde, beträgt:
– Eh
= m · g · ∆h Höhenenergie (potenzielle Energie) ↑11
– Ekin = _12 m · v2
Bewegungsenergie (kinetische Energie)
Die Energie einer Feder (Federkonstante D), die um die Strecke ∆s ge­
dehnt oder gestaucht wurde, beträgt:
– Espann = _12 D · (∆s)2 Spannenergie (potenzielle Energie)
Einheit der Energie 1 Joule (1 J): 1 J = 1 Nm
Arbeit Die Arbeit W bezeichnet die einem Gegenstand oder System me­
chanisch (Kraft und Weg) zugeführte oder entzogene Energie ∆E. ↑12
Bei konstanter Kraft Fs in Bewegungsrichtung gilt: W = Fs · ∆s.
∆E .
Leistung Sie gibt an, wie schnell eine Energie ∆E umgesetzt wird: P = ___
∆t
Die Einheit der Leistung ist 1 Watt (1 W): 1 W = 1 _J .
s
9783464853184 Inhalt_S221 221
∆h
Ekin = 12 m · v2
11
Fs
W = ∆Ekin
12
∆s
40 MJ 100 %
aufgewendete
Energie
13
14 MJ 35 %
genutzte Energie
26
ung MJ
e 6
Ene nut
rg
5% te
z
ie
Wirkungsgrad Er gibt bei Energieübertragungen an, wie groß der Anteil
∆Enutz
. ↑13
der nutzbaren Energie an der aufgewandten Energie ist: h = ______
∆Eauf
Eh = m · g · ∆h
25.08.2008 12:18:05 Uhr
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Grundwissen Physik
Teilchenmodell Jede Materie besteht aus unvorstellbar kleinen Atomen
und Molekülen. Um uns den Aufbau der Materie in den verschiedenen
Aggregatzuständen vorzustellen, verwenden wir das Teilchenmodell: ↑1
– Die Materie ist aus winzigen Kügelchen aufgebaut, zwischen denen
große Kräfte wirken, wenn sie sich nahe genug kommen.
– Die Teilchen befinden sich in ständiger Bewegung. Je höher die Temperatur eines Stoffs ist, desto schneller bewegen sie sich und desto größer
ist ihre mittlere kinetische Energie.
fest
Die Teilchen von festen Körpern liegen
sehr dicht beieinander und werden durch
gegenseitige Anziehungskräfte an ihren
Plätzen gehalten.
flüssig
Innere Energie eines Körpers Sie besteht im Teilchenmodell aus:
– der Summe aller kinetischen Energien seiner Teilchen und
– der Summe aller potenziellen Energien, die die Teilchen aufgrund gegenseitiger Kräfte haben.
Bei flüssigen Körpern sind die Abstände
auch sehr klein, aber die Bindungskräfte
sind viel geringer als bei festen Körpern.
Temperaturnullpunkt Es gibt eine tiefste Temperatur, die nicht unterschritten werden kann. Sie liegt bei – 273,15 °C (0 K). ↑2 Im Teilchenmodell stellen wir uns vor, dass sich die Teilchen eines Körpers am absoluten
Nullpunkt nicht bewegen, ihre kinetische Energie ist gleich null.
gasförmig
Die Teilchen von Gasen sind weit voneinander entfernt, zwischen ihnen wirken
nahezu keine anziehenden Kräfte.
1 Teilchenmodell und Bewegung
–273,15 °C
0K
–200 °C
100 K
2 Absoluter Nullpunkt
Temperatur und Volumen Körper dehnen sich in der Regel beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen.
Die Volumenänderung ist jeweils proportional
– zur Temperaturänderung (bei gleichem Ausgangsvolumen) bzw.
– zum
(bei0 gleicher
Temperaturänderung).
–100Ausgangsvolumen
°C
°C
100 °C
Bei festen Körpern
und Flüssigkeiten
200 K
273,15 K hängt die Ausdehnung
373,15 K vom Material
ab, bei Gasen nicht.
Wasser zieht sich beim Erwärmen von 0 °C auf 4 °C zusammen und dehnt
sich erst danach aus (Anomalie des Wassers).
200 °C
ϑ
1. Hauptsatz der Wärmelehre Bei Energiezufuhr durch Arbeit oder
­Wärme nimmt die innere Energie eines Körpers zu. Umgekehrt kann die
innere Energie eines Körpers bei Energieabgabe durch Wärme oder Arbeit
abnehmen.
Wenn keine andere Energieumwandlung auftritt, gilt (Energieerhaltung):
Änderung der inneren Energie = Wärme + Arbeit.
Siedetemperatur
gasförmig
Sieden
flüssig
Schmelzen
fest
Schmelztemperatur
t
3 Temperaturverlauf beim Erwärmen
Erstarren Abkühlen
334 kJ
Eis
0 °C
419 kJ
Wasser
0 °C
Kondensieren
2 256 kJ
Wasser
100 °C
Dampf
100 °C
334 kJ
2 256 kJ
419 kJ
Schmelzen Erwärmen Verdampfen
Wärme und Änderung der inneren Energie Führt man einem Körper
Wärme zu, steigt seine Temperatur oder sein Zustand ändert sich. ↑3 ↑4
Wie viel Wärme nötig ist, damit die Temperatur eines Körpers um 1 K
steigt, hängt von Masse und Material ab. Das Er­wärmen von Wasser erfordert be­son­ders viel Energie: 4,19 kJ je Kilogramm und je Kelvin.
Auch die Wärme zum Schmelzen oder Verdampfen hängt von Masse und
Material des Körpers ab. Während der Zustandsänderungen bleibt die
Temperatur des Körpers konstant, weil die zugeführte Wärme zum Aufbrechen der Bindungen zwischen den Teilchen verwendet wird.
Kühlt man das Gas wieder ab, so laufen die Temperatur- und Zustandsänderungen „rückwärts“ ab.
Flüssigkeiten können unterhalb ihrer Siedetemperatur verdunsten und dabei abkühlen.
4 Zustandsänderungen von Wasser
(1 kg): Temperatur- und Wärmewerte
9783464853184 Inhalt_S222 222
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500 K
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Jahrgangsstufe 8
Energieentwertung Immer wenn bei einem Vorgang in einem System mechanische, elektrische (oder chemische) Energie in innere Energie umgewandelt wird bzw. Wärme von einem Gegenstand mit höherer Temperatur
zu einem mit niedrigerer Temperatur fließt, wird Energie „entwertet“ – sie
kann nach Ablauf des Vorgangs nicht noch einmal für denselben Zweck genutzt werden. Ein solcher Vorgang ist irreversibel, der Anfangszustand lässt
sich ohne Energiezufuhr von außen nicht wieder erreichen. Verbrennungsmotoren wandeln die innere Energie heißer Verbrennungsgase
zum Teil in mechanische Energie der Kolben um. ↑5 Die restliche Energie
wird entwertet und über den Kühler an die Umgebung abgeführt. Für einen
großen Wirkungsgrad muss die Temperatur Tzu des Verbrennungsgases möglichst hoch und die Temperatur Tab des Kühlers möglichst niedrig sein. Verbrennnungsgase
ca. 900 K
innere Energie
Wärme
Verbrennungsmotor
Arbeit
Kolben
kinetische Energie
Wärme
Stromstärke, Spannung, Widerstand Die Stromstärke I an einer beliebigen Stelle eines Drahts ist gleich dem Quotienten aus der Ladung Q der
Elektronen, die in der Zeitspanne Δt durch den Drahtquerschnitt an dieser
Q ____
N · e
Stelle durchströmen, und dieser Zeitspanne: I = ​ __  ​ = ​ 
 
 ​ 
 
.
∆t
∆t
Die Spannung U an einer elektrischen Energiequelle gibt an, wie viel po∆Epot
tenzielle Energie ∆Epot pro Ladung Q zur Verfügung steht: U = ​ _____
 ​ 
.
 
Q
Die Spannung U an einem elektrischen Bauteil gibt an, wie viel potenzielle Energie ∆Epot pro hindurchfließender Ladung Q umgesetzt wird.
Erhöht man die Spannung an Metalldrähten, nehmen Stromstärke und
Temperatur zu – und meistens auch der Widerstand. ↑6 Bei konstanter
Temperatur ist der Widerstand eines (metallischen) Leiters konstant:
__
​ U ​ = R mit R = konstant (ohmsches Gesetz).
I
Bei Reihenschaltungen von Bauteilen gilt: ↑7
– U = U1 + U2 + …
I = I1 = I2 = …
Rges = R1 + R2 + …
– Je größer der Widerstand eines Bauteils ist, desto größer ist die Teilspannung an ihm.
Bei Parallelschaltungen von Bauteilen gilt: ↑8
1   ​  = ​ ___
1  ​  + ​ ___
1  ​  + …
– U = U1 = U2 = …
Iges = I1 + I2 + …​ ____
Rges R1 R2
– Je kleiner der Widerstand eines Bauteils ist, des­to größer ist die Teilstromstärke in ihm.
Elektrische Energie und Leistung Die elektrische Leistung eines Bauteils
gibt an, wie viel elektrische Energie es pro Zeitspanne umwandelt. Es gilt:
∆Eel
Pel = ​ ____
 ​ 
 = U · I (U, I konstant) und ∆Eel = U · I · ∆t.
 
∆t
Elektrische Energie gibt man oft in Kilowattstunden an: 1 kWh = 3,6 MJ.
Energieversorgung Die Menschheit wandelt jährlich rund 440 · 1018 J
­Energie zum Heizen, Antreiben von Motoren, Beleuchten … um. Kohle,
Erdöl und Erdgas sind die wichtigsten Primärenergieträger.
In Deutschland wird im Durchschnitt eine Primärenergie von 5,4 kJ pro
Sekunde und Einwohner umgewandelt. Die umgesetzte Nutzenergie beträgt 3,5 kJ pro Sekunde und Einwohner. Die elektrische Energie (0,7 kJ
pro Sekunde und Einwohner) wird uns hauptsächlich von Wärmekraftwerken zur Verfügung gestellt.
Kühlwasser
und Luft
ca. 300 K
innere Energie
5 Energiefluss beim Motor
I
Kupferdraht
Bleistiftmine
Glühlampe
Eisendraht
0
U
6 Widerstandskennlinien
Rges = R1 + R2
U = U1 + U2
R1
R2
U1
U2
I = I1 = I2
7 Gesetze der Reihenschaltung
1 = 1 +1
Rges R1 R2
U1
U = U1 = U2
U2
R1
I1
R2
I2
I = I1 + I2
8 Gesetze der Parallelschaltung
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25.08.2008 12:18:09 Uhr
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