Name: Klasse:

Name:
Klasse:
2
Energieumwandlungen in Wärmeenergie
• Jede Energieumwandlung ist mit der Abgabe von Wärmeenergie verbunden.
Æ Beispiele: Eine Bohrmaschine wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie und durch Reibung in Wärmeenergie um.
In der Flamme des Gasbrenners wird chemische Energie in Wärmeenergie
umgewandelt.
Ein Heizstab (Tauchsieder) wandelt elektrische Energie in Wärmeenergie um.
• Jede Energieform wird in Joule gemessen.
3
Wärmespeicherung
Hohe Temperatur, jedoch
geringe Wärmespeicherung
Die Temperatur des Wassers ist
nicht sehr hoch, es hat jedoch
sehr viel Wärme gespeichert.
Der gute Wärmespeicher fehlt,
deswegen sind die Temperaturunterschiede zwischen Tag und
Nacht sehr hoch.
• In jedem Körper ist Wärmeenergie gespeichert.
• Die Menge der gespeicherten Wärmeenergie hängt ab
ƒ von der Temperatur des Körpers: Je höher die Temperatur, desto mehr
Wärmeenergie ist gespeichert.
ƒ von der Masse des Körpers: Je größer seine Masse ist, desto mehr
Wärmeenergie ist gespeichert.
ƒ vom Stoff, aus dem der Körper ist: Wasser kann z. B. mehr Wärmeenergie
speichern als dieselbe Masse Spiritus.
• Gute Wärmespeicher können eine große Wärmemenge aufnehmen und abgeben.
Æ Beispiel: Wasser ist ein sehr guter Wärmespeicher. Es wirkt deswegen
ausgleichend auf die Temperatur der Umgebung.
4
Wärmeübertragung: Wärmeleitung – Wärmeströmung – Wärmestrahlung
• Wärmeenergie wird „von selbst“ nur von einem Körper mit höherer Temperatur
auf einen Körper mit tieferer Temperatur übertragen.
• Wärmeenergie kann auf drei Arten übertragen werden: durch Wärmeleitung,
Wärmeströmung und Wärmestrahlung.
• Wärmeleitung gibt es in festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen. Schwingende
Teilchen übertragen ihre Energie auf Nachbarteilchen.
Æ Beispiele für gute Wärmeleiter: alle Metalle
Æ Beispiele für schlechte Wärmeleiter: Glas, Luft, Wasser, Kunststoffe
• Wärmeströmung gibt es nur in Flüssigkeiten und Gasen. Zur Wärmeströmung
kommt es, weil warme Luft (warmes Wasser) wegen der geringeren Dichte
aufsteigt.
Æ Beispiel: In einem Zentralheizungssystem breitet sich die Wärme durch
Wärmeströmung aus.
• Wärmestrahlung überträgt die Wärmeenergie ohne die Mitwirkung von Teilchen
(auch durch das Vakuum).
Æ Beispiel: Die Wärmestrahlung der Sonne gelangt durch das Weltall auf unsere
Erde.
• Dunkle Körper absorbieren („verschlucken“) die Wärmestrahlen. Helle Körper
reflektieren die Wärmestrahlen.
Æ Beispiele: Sonnenkollektoren sind schwarz, weil sie die Wärmestrahlung
absorbieren sollen. Feuerwehrleute schützen sich vor der Hitze durch hell
glänzende Schutzanzüge.
5
Wärmeenergie und Zustandsformen
Die Erstarrungswärme schützt die
Blüten vor Frostschäden.
Eis und Schnee haben eine hohe
Schmelzwärme. Das vermindert
die Gefahr von Überflutungen.
Beim Kondensieren
steigt die Temperatur
im Becherglas.
• Beim Schmelzen wird ein fester Stoff flüssig. Damit ein fester Stoff schmilzt und
flüssig wird, muss ihm Wärmeenergie zugeführt werden.
Æ Beispiel: Schmelzende Eiswürfel kühlen ein Getränk, weil Wärmeenergie vom
warmen Getränk auf die kalten Eiswürfel übergeht.
• Beim Erstarren wird ein flüssiger Stoff fest. Wenn ein flüssiger Körper zu einem
festen Körper erstarrt, wird Wärmeenergie abgegeben.
Æ Beispiel: Um Bäume im Frühjahr vor Morgenfrösten zu schützen, kann man
sie mit Wasser anspritzen. Wenn das Wasser zu Eis erstarrt, wird Wärmeenergie an den Baum abgegeben.
• Beim Verdampfen wird eine Flüssigkeit gasförmig. Damit eine Flüssigkeit
verdampft, muss Wärmeenergie zugeführt werden.
• Beim Kondensieren wird ein Gas flüssig. Beim Kondensieren wird Wärmeenergie
abgegeben.
Æ Beispiel: Wenn Wasserdampf an den Wänden eines Gefäßes kondensiert,
wird das Gefäß heiß.
6
Vom Sieden
Wasser siedet bei etwa 100 °C,
Spiritus bei ungefähr 80 °C.
Im Druckkochtopf siedet das
Wasser oberhalb der „normalen“
Siedetemperatur.
In 2000 m Höhe siedet
Wasser bei ca. 90 °C.
• Verschiedene Flüssigkeiten sieden bei verschiedenen Temperaturen.
Æ Beispiel: Wasser siedet bei 100 °C, Spiritus (Alkohol) bei ca. 78 °C.
• Die Siedetemperatur einer Flüssigkeit hängt vom Druck über der Flüssigkeit ab:
Je größer der Druck über einer Flüssigkeit ist, desto höher ist die Siedetemperatur
und umgekehrt.
Æ Beispiele: Im Druckkochtopf ist ein Überdruck. Deswegen siedet das Wasser
in diesem Topf erst bei ca. 120 °C und das Fleisch (die Kartoffel usw.) wird
schneller weich.
In einer Berghütte ist der Luftdruck geringer als im Tal. Deswegen siedet das
Wasser in 2000 m Höhe bereits bei ca. 90 °C.
7
Vom Verdunsten
„Verdunstungskälte“: Beim
Verdunsten wird der Umgebung
Wärmeenergie entzogen.
• Flüssigkeiten verdampfen auch unterhalb der Siedetemperatur. Das Verdampfen
unterhalb der Siedetemperatur nennt man Verdunsten. Auch beim Verdunsten
wird der Flüssigkeit Wärme zugeführt.
Æ Beispiel: Wenn man an einem heißen Sommertag aus dem Schwimmbecken
kommt, ist es einem angenehm kühl, weil die Wassertropfen beim Verdunsten
auch dem Körper Wärmeenergie entziehen. Man spürt die „Verdunstungskälte“.
• Je niedriger die Siedetemperatur der Flüssigkeit ist, desto schneller verdunstet
sie.
Æ Beispiel: Spiritus (Alkohol) verdunstet schneller als Wasser, weil Spiritus die
geringere Siedetemperatur hat.
8
Vom Destillieren
Destilliertes Wasser
Schnapsbrennen: Destillation von
Alkohol
• Beim Destillieren wird eine Flüssigkeit verdampft und anschließend der Dampf
kondensiert.
• Durch Destillieren kann man Flüssigkeiten von festen Stoffen trennen und Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten.
Æ Beispiele: Wenn man destilliertes Wasser (z. B. für das Dampfbügeleisen) herstellt, wird durch das Destillieren der im Wasser enthaltene „Kalk“ vom Wasser
getrennt.
Beim Schnapsbrennen wird der Alkohol der Maische (teilweise) vom Wasser
getrennt.
9
Kühlschrank und Wärmepumpe
Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Luft
Wärme und übertragen sie auf Wasser.
Wenn Wärmeenergie vom „kalten“ auf den „warmen“ Körper übergehen soll, muss
Energie (z. B. elektrische Energie) zugeführt werden.
• Beim Kühlschrank wird mithilfe elektrischer Energie Wärmeenergie von den „warmen“ Lebensmitteln auf das „kalte“ flüssige Kühlmittel übertragen: Das Kühlmittel
verdampft und wird gasförmig. Das gasförmige Kühlmittel kondensiert an der
Rückseite des Kühlschranks, gibt dabei Wärmeenergie an die Umgebungsluft ab
und wird wieder flüssig. Der Kreislauf beginnt von neuem.
• Die Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank. Während der Kühlschrank
den Lebensmitteln Wärme entzieht, entzieht die Wärmepumpe z. B. der Luft oder
dem Erdreich Wärme und gibt diese an ein Heizungssystem oder das Brauchwasser ab.
10
Die besonderen Eigenschaften des Wassers
Die Temperaturverteilung in einem tiefen See im
Winter.
•
Im Temperaturbereich von 0 °C bis
4 °C nimmt das Volumen des
Wassers ab und die Dichte zu.
Wasser hat mit 4°C hat die größte Dichte.
Æ Beispiel: In einem See mit ausreichender Tiefe können die Lebewesen überwintern, weil das Wasser am Grunde des Sees auch in einem strengen Winter
4 °C hat.
11
Vom Wetter
Ausschnitt aus einer Wetterkarte:
Tiefdruckgebiete (T),
Hochdruckgebiete (H)
• Wolken entstehen, wenn ausreichend feuchte Luft aufsteigt und der Wasserdampf
kondensiert.
• Niederschläge (Regen, Schnee, Graupel, Hagel) entstehen, wenn sich kleinste
Wassertröpfchen und Eiskristalle der Wolke zu größeren Teilchen vereinigen.
• Tiefdruckgebiete (mit Schlechtwetter) entstehen in Gegenden, in denen warme
Luftmassen aufsteigen.
•
Hochdruckgebiete (mit sonnigem Wetter) entstehen in Gebieten, in denen kalte
Luftmassen absinken. Die Wolken lösen sich auf, weil sich die Luft erwärmt und
die „Wolkentröpfchen“ verdampfen.
• Winde gleichen die Druckunterschiede zwischen Hochdruck- und Tiefdruckgebieten aus. Winde wehen in Bodennähe von Hochdruckgebieten zu Tiefdruckgebieten.
12
Grunderfahrungen mit dem elektrischen Strom
• Elektrischer Strom fließt, wenn der Stromkreis geschlossen ist.
• Elektrogeräte können in Serien- und in Parallelschaltung geschaltet sein.
ƒ Wenn man in der Serienschaltung ein Lämpchen lockert, erlischt auch das
zweite.
ƒ Wenn man in der Parallelschaltung ein Lämpchen lockert, leuchtet das andere
weiter.
• Stoffe, die den Strom leiten, heißen elektrische Leiter.
Æ Beispiele: alle Metalle, Graphit (Kohlenstoff)
• Stoffe, die den Strom nicht leiten, nennt man Nichtleiter oder Isolatoren.
Æ Beispiele: Kunststoffe, Glas
• Flüssigkeiten, die den Strom leiten, werden als Elektrolyten bezeichnet.
Æ Beispiele: Salzwasser, Zitronenwasser, Essig
13
Elektrische Ladungen
• Es gibt elektrisch geladene Teilchen. Die Teilchen können positiv oder negativ
geladen sein.
• Ungleiche Ladungen ziehen einander an. Gleiche Ladungen stoßen einander ab.
14
Vom Aufbau der Atome
Atommodell nach
Niels Bohr
Durch Elektronenabgabe entsteht
ein positiv geladenes Natrium-Ion
(Na+).
Durch Elektronenaufnahme
entsteht ein negativ geladenes
Chlorid-Ion (Cl-).
• Atome sind die kleinsten Teilchen eines chemischen Elements.
• Atome bestehen aus Atomkern und Atomhülle. Der Atomkern ist positiv geladen,
die Atomhülle ist negativ geladen.
• Die Bausteine des Atomkerns sind positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen. Die Atomkerne der Elemente unterscheiden sich durch die Zahl
der Protonen.
• In der Atomhülle halten sich negativ geladene Elektronen auf.
• Die Atome von Metallen neigen dazu, bei chemischen Vorgängen aus ihrer Atomhülle ein (negativ geladenes) Elektron oder mehrere Elektronen abzugeben. Es
entstehen positiv geladene Ionen.
• Die meisten Atome von Nichtmetallen können ein Elektron oder mehrere Elektronen zusätzlich in die Atomhülle aufnehmen. Es entstehen negativ geladene Ionen.
15
Modelle elektrischer Leiter und Nichtleiter
In einem Metalldraht gibt es
frei bewegliche Elektronen.
Die Ionen des Salzes sind
in der Salzlösung frei
beweglich.
Das Wassermolekül ist elektrisch
neutral.
•
Stromleitung in Metallen: Wenn man einen Metalldraht mit den Polen einer
Stromquelle verbindet, bewegen sich die frei beweglichen, negativ geladenen
Elektronen auf den positiven Pol (Pluspol) der Stromquelle zu.
•
Stromleitung in Salzlösungen: Wenn man eine Salzlösung mit den Polen einer
Stromquelle verbindet, „strömen“ elektrisch geladene Ionen.
•
Warum leitet reines (destilliertes) Wasser den Strom nicht? Wassermoleküle
sind elektrisch neutral. Sie „strömen“ daher weder zum positiv geladenen Pol
(Pluspol) einer Stromquelle, noch zum negativ geladenen Pol (Minuspol).
16
Metallüberzug durch Elektrolyse
Elektrolyse einer
Kupferchloridlösung
Badezimmerarmaturen sind mit einer
hauchdünnen Metallschicht überzogen.
• Die Zerlegung eines Elektrolyten (= elektrisch leitende Flüssigkeit) mithilfe des
elektrischen Stroms heißt Elektrolyse.
Æ Beispiel: Aus einer Kupferchloridlösung kann man Kupfer und Chlor gewinnen.
Die positiven Kupfer-Ionen wandern zum negativen Pol (der Katode) und bilden einen Kupferüberzug. Die negativen Chlorid-Ionen wandern zum positiven
Pol (der Anode) und steigen als Chlorgas auf.
• Durch Elektrolyse werden beim Galvanisieren Metallüberzüge hergestellt. Die
Gegenstände werden z. B. verchromt, versilbert, vergoldet.
17
Stromquellen – Die elektrische Spannung
Das Voltmeter wird
parallel in den Stromkreis geschaltet.
Ein galvanisches
Element aus Kupfer,
Zink und Essig
Die beiden Elektroden
eines Bleiakkus nach
dem Aufladen
Aufbau einer ZinkKohle Batterie
• Zwischen dem Minuspol (Elektronenüberschuss) und dem Pluspol (Elektronenmangel) einer Stromquelle ist elektrische Spannung. Die Spannung ist die „treibende Kraft“ für das Fließen des elektrischen Stroms.
• Die Maßeinheit der elektrischen Spannung ist 1 Volt (1 V).
• Das Messgerät für die Spannung heißt Voltmeter. Es wird parallel zu den Verbrauchern geschaltet.
• Um Spannung zu erzeugen, muss Energie aufgewendet werden:
ƒ in der Solarzelle wird Spannung durch Lichtenergie erzeugt,
ƒ im Fahrraddynamo durch Bewegungsenergie,
ƒ in der Batterie durch chemische Energie.
• Stromquellen, die Spannung durch chemische Energie erzeugen, heißen
galvanische Zellen: Galvanische Zellen bestehen aus zwei verschiedenen, festen,
elektrischen Leitern und einem Elektrolyt.
Æ Beispiel: Die Zink-Kohlebatterie besteht aus Kohlenstoff und Zink. Der Elektrolyt ist eine elektrisch leitende „Paste“ aus Salmiak.
• Akkumulatoren (kurz: Akkus) werden erst beim Aufladen zu galvanischen Zellen.
Æ Beispiel: Der geladene Bleiakku des Autos besteht aus braunen, mit Bleioxid
überzogenen Platten und grauen Bleiplatten. Der Elektrolyt ist verdünnte
Schwefelsäure.
18
Die elektrische Stromstärke
Schaltung des
Amperemeters im
Stromkreis
• An der Stromstärke erkennt man, wie groß die Ladungsmenge ist, die im
Stromkreis durch eine (gedachte) Querschnittsfläche fließt.
• Die Maßeinheit für die elektrische Stromstärke ist 1 Ampere (1 A).
• Die Stromstärke wird mit dem Amperemeter gemessen. Das Amperemeter wird in
Serienschaltung in den Stromkreis geschaltet.
• Man unterscheidet zwischen Gleichstrom und Wechselstrom.
ƒ Gleichstrom: Die Ladungen bewegen sich immer in die gleiche Richtung. –
Zeichen für Gleichstrom: –
ƒ Wechselstrom: Die Ladungen „pendeln“ hin und her. – Zeichen für Wechselstrom: ~
Æ Beispiele:
Gleichstromquellen: Batterien, Akkus und Solarzellen
Wechselstromquellen: Fahrraddynamo und die Generatoren in den Kraftwerken
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Der elektrische Widerstand
Abhängigkeit des
Widerstands von der
Länge
Abhängigkeit des
Widerstands von der
Querschnittsfläche
Abhängigkeit des
Widerstands vom
Material
Abhängigkeit des
Widerstands von der
Temperatur
• Jeder Stoff hat einen elektrischen Widerstand, weil die elektrischen Ladungen bei
ihrer „Wanderung“ durch den Stromkreis auf Widerstände stoßen.
• Je größer der Widerstand ist, desto kleiner ist die Stromstärke im Stromkreis.
• Die Maßeinheit für den elektrischen Widerstand ist 1 Ohm (1 Ω).
• Der Widerstand eines Metalldrahts hängt ab
ƒ von seiner Länge: Je länger der Draht ist, desto größer ist der Widerstand.
ƒ von seiner Querschnittsfläche: Je kleiner die Querschnittsfläche ist, desto
größerer ist der Widerstand.
ƒ vom Material: Der Widerstand eines Kupferdrahts ist z. B. geringer als der
Widerstand eines Konstantandrahts.
ƒ von der Temperatur: Je höher die Temperatur des Drahtes, desto größer ist
der Widerstand. Je größer der Widerstand ist, desto kleiner ist die Stromstärke
im Stromkreis.
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Widerstand und die Stromstärke ist nur noch halb so groß.
Das ohmsche Gesetz
Das ohmsche Gesetz drückt den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke
und Widerstand aus.
Es lautet:
Stromstärke =
Spannung
Widerstand
I=
U
R
„Merkdreieck“
U
R*I
Aus diesem Gesetz kann man ablesen:
ƒ Je größer die Spannung in einem Stromkreis, desto größer ist die Stromstärke.
ƒ Je größer der Widerstand in einem Stromkreis, desto geringer ist die Stromstärke.
21
Leistung – Arbeit – Wirkungsgrad
Der „Stromzähler“ misst die elektrische Arbeit in Kilowattstunden
(kWh).
25 W Leistung bei einer Spannung
von 230 V
Wirkungsgrade von
Glühlampe und Sparlampe
• Leistung = Arbeit / Zeit (t)
P=W/t
• Elektrische Leistung = Spannung * Stromstärke
P=U*I
• Die Maßeinheit der Leistung ist 1 Watt (1 W)
• Elektrische Arbeit = Leistung * Zeit
W=P*t
Æ Beispiel: Eine Glühlampe mit 100 Watt Leistung ist 10 Stunden lang eingeschaltet. Wie hoch ist ihr Energieverbrauch (W)?
W = 100 W * 10 h = 1000 Wh = 1 kWh (1 Kilowattstunde)
• Der Wirkungsgrad ist der Wert des Verhältnisses von Nutzenergie zu aufgewendeter Energie. Je höher der Wirkungsgrad eines Geräts ist, desto besser wird die
Energie genutzt.
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Gefahren des elektrischen Stroms
Leitungsschutzschalter
Schmelzsicherung
Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter)
• Die Schmelzsicherung (oder der Leitungsschutzschalter) unterbricht den Stromkreis bei Kurzschluss und Überlastung.
• Der Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) unterbricht den Stromkreis, wenn
Strom im Stromkreis fehlt. Dieser Fall tritt ein, wenn Strom wegen eines Geräteschlusses durch den Schutzleiter (die „Erdung“) zur Erde abfließt oder wenn
Strom wegen eines Körperschlusses zur Erde abfließt.
Æ Beispiel für einen Geräteschluss: Ein defektes Kabel liegt am Metallgehäuse
eines Elektrogerätes an.
Æ Beispiel für Körperschluss: Man berührt ein defektes Kabel.