8. Klasse
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221 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 222 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 25.08.2008 12:18:07 Uhr 500 K 223 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 9783464853184 Inhalt_S223 223 25.08.2008 12:18:09 Uhr
