Energie im Alltag - PDF

## 1.1 Energie im Alltag Am Lagerfeuer ist es schön warm. Auch etwas Warmes zum Essen lässt sich damit zubereiten. ### Wir erhitzen Wasser Wenn wir Wasser zum Beispiel bei der Zubereitung von Speisen erwärmen, nutzen wir im Alltag meist entweder Elektrizität (Elektroherd) oder Feuer (Gasherd)....

## 1.1 Energie im Alltag Am Lagerfeuer ist es schön warm. Auch etwas Warmes zum Essen lässt sich damit zubereiten. ### Wir erhitzen Wasser Wenn wir Wasser zum Beispiel bei der Zubereitung von Speisen erwärmen, nutzen wir im Alltag meist entweder Elektrizität (Elektroherd) oder Feuer (Gasherd). Wasser kann aber auch noch auf andere Weise erwärmt werden: Das Wasser in einem See oder im Meer wird von der Sonne erwärmt. In manchen Gegenden der Erde gibt es heiße Quellen. Hier wird Wasser durch heißes Gestein in der Tiefe des Bodens erhitzt. In der Apparatur B1 setzt ein herabsinkendes Gewichtsstück ein Rührwerk in Bewegung. James Prescott Joule (1818-1889), ein englischer Physiker, baute das Gerät für Forschungszwecke. Auch hier stellt man eine Erwärmung des Wassers fest. Während in allen Fällen die Temperatur des Wassers steigt, verändern sich zugleich die benutzten Gegenstände in unterschiedlicher Weise: Das Holz verbrennt zu Asche, eine Batterie bzw. ein Akku werden entladen, ein heißer Stein kühlt ab und das Gewichtsstück verliert an Höhe. Alle diese Gegenstände können nun nicht mehr zum Erwärmen von Wasser verwendet werden. Selbst die Sonne verändert sich im Laufe von Milliarden Jahren und wird irgendwann ebenfalls nichts mehr erwärmen können. In der Physik hat sich die Vorstellung entwickelt, dass beim Vorgang des Erwärmens von Wasser etwas von den Gegenständen auf das Wasser übertragen wird. Das, was transportiert wird, nennt man Energie. Wir können also sagen: Zum Erwärmen von Wasser wird Energie benötigt. Die Energie ist eine physikalische Größe, ihr Formelzeichen ist E. Der Vorgang des Energietransports lässt sich übersichtlich in einem Energietransportdiagramm darstellen. ### Ohne Energie geht es nicht Energie wird aber nicht nur für die Zubereitung warmer Speisen oder für das Heizen der Wohnung benötigt. Auch zum Beispiel die Beleuchtung der Wohnung oder das Fahren mit Bus, Bahn oder Auto ist ohne Energie nicht möglich. Wohnungen heizt man meistens durch Verbrennen von Öl oder Gas. Öl und Gas sind Beispiele für Energieträger (oft auch als Energiequellen bezeichnet). Die Menschen haben Vorrichtungen wie zum Beispiel Öfen oder Verbrennungsmotoren erfunden, um sich die verschiedenen Energieträger in unterschiedlicher Weise nutzbar zu machen. ### Mit Energie kann man etwas erwärmen, hochheben, bewegen, erleuchten... ## 1.2 Energieformen Ein ICE kann mit großer Geschwindigkeit fahren. Dazu muss er mit Energie versorgt werden. ### Energie tritt in verschiedenen Formen auf Mit einem Elektromotor kann man sowohl Lasten hochheben (zum Beispiel mit einem Kran), als auch ein Fahrzeug antreiben (zum Beispiel einen ICE). Dazu muss der Elektromotor an eine passende elektrische Quelle angeschlossen werden. Sie liefert die Energie zum Hochheben oder Bewegen. Der Dynamo am Fahrrad ([B1](./images/page3.jpg)) ist ebenfalls eine elektrische Quelle, aber nur, wenn sich sein Antriebsrad bewegt. Einen Dynamo kann man auch durch ein herabsinkendes Gewichtsstück antreiben. Das Leuchten der Fahrradlampe weist die Energie nach; die eigentliche Ursache dafür ist die Bewegung oder das herabsinkendes Gewichtsstück. In der Physik stellt man sich vor, dass hochgehobene oder bewegte Gegenstände Energie in unterschiedlicher Form enthalten. Man sagt, Energie tritt in verschiedenen Formen auf. Im Motor und im Dynamo wird die Energie von der einen in die andere Form überführt. [B2](./images/page3.jpg)) zeigt dies im Energietransportdiagramm. Um die verschiedenen Energieformen zu kennzeichnen, benennt man sie unterschiedlich: Die Energie, die ein bewegter Gegenstand hat, heißt Bewegungsenergie E_B, ein hochgehobener Gegenstand hat Höhenenergie E_H und die Energie, die eine elektrische Quelle hat, heißt elektrische Energie E_el. ### Weitere Energieformen Ein abgeschossener Pfeil beim Bogenschießen hat Bewegungsenergie. Er erhält sie durch den gespannten Bogen. Dieser besitzt Spannenergie E_s. Ein Elektromotor, der an eine Solarzelle angeschlossen ist, dreht sich, sobald Licht auf die Solarzelle trifft. Die Solarzelle überführt die Strahlungsenergie des Lichts E_strahl in elektrische Energie und der angeschlossene Motor diese in Bewegungsenergie. Auch Menschen und Tiere benötigen Energie zum Leben. Sie erhalten sie durch die Nahrung. Diese enthält chemische Energie E_ch, die bei der Verdauung in andere Energieformen überführt wird. Eine brennende Kerze erleuchtet und erwärmt die Umgebung. Die chemische Energie der Kerze wird zum Teil in Strahlungsenergie und zum Teil in thermische Energie E_therm der Luft überführt, was sich an deren Erwärmung zeigt. Warme Luft steigt auf und kann zum Beispiel eine Weihnachtspyramide antreiben. Chemische Energie und thermische Energie sind Teil der inneren Energie E_innere eines Gegenstandes. ### Energie tritt in verschiedenen Formen auf. Aus einer Form kann sie in andere Formen überführt werden. ## 1.3 Energie messen und vergleichen Sogenannte Elektrizitätszähler im Hausanschlusskasten geben an, wie viel elektrische Energie tagsüber (HT) und nachts (NT) vom Kraftwerk in den Haushalt transportiert wurde. Was bedeutet dabei die Angabe kWh ? ### Energie wird verglichen Ein herabsinkendes Gewichtsstück kann einen Dynamo antreiben. Eine daran angeschlossene Lampe leuchtet, solange das Gewichtsstück herabsinkt ([B2](./images/page7.jpg)). Bei einem schwereren Gewichtsstück leuchtet die Lampe heller. Helleres Licht bedeutet mehr Strahlungsenergie, d.h., Energie kann man vergleichen. Lässt man mehrfach das gleiche Gewichtsstück aus der gleichen Höhe herabsinken, so leuchtet die gleiche Lampe stets gleich lange und gleich hell. Daraus kann man schließen: Ein Gewichtsstück, das sich auf einer bestimmten Höhe befindet, besitzt immer dieselbe Energie. ### Die Einheit für die Energie Ob eine Person größer ist als eine andere, sieht man, wenn beide nebeneinander stehen. Eine Einschätzung ist aber auch möglich, wenn beide an unterschiedlichen Orten sind. Man muss dann die Körpergrößen messen und die Messwerte vergleichen. Dazu verwendet man die für die Längenmessung international vereinbarte Einheit 1 Meter (1m). Auch für die Energie hat man eine Einheit festgelegt: 1 Joule (1J). Man kann sich diese Einheit folgendermaßen veranschaulichen: Um eine 100-Gramm-Tafel Schokolade um 1m anzuheben, benötigt man die Energie 1J. Um eine Tafel um 2m oder zwei Tafeln um 1m anzuheben, benötigt man 2J. Entsprechend ergeben sich weitere Vielfache. 1J ist sehr wenig Energie. Um zum Beispiel 1l Wasser um 1°C zu erwärmen, benötigt man über 4000 J. ### Der Energiezähler In jedem Haushalt findet man im elektrischen Hausanschlusskasten einen sogenannten Elektrizitätszähler. Der Zähler gibt die Energie an, die beim Betrieb elektrischer Geräte vom Elektrizitätswerk übertragen wird. Dementsprechend ändert sich seine Anzeige, wenn elektrische Geräte im Haushalt in Betrieb sind. Bei einem Wasserkocher mit der Aufschrift 1800W ändert sich die Anzeige schnell, bei einer LED-Lampe mit der Aufschrift 4W nur langsam. Beim Wasserkocher wird während derselben Zeitdauer mehr Energie übertragen als bei der Lampe. Man sagt, der Wasserkocher hat eine größere Leistung. Die Leistung P gibt an, wie viel Energie ΔE während einer bestimmten Zeitdauer Δt übertragen wird. Es gilt: P = ΔE/Δt. Die Einheit der Leistung ist 1 Watt. Ein Gerät mit der Leistung 1W benötigt pro Sekunde die Energie 1J. Elektrische Energie wird meist in der Einheit 1kWh (1 Kilowattstunde) gemessen. Um zum Beispiel ein Gerät mit der Aufschrift 500 W zwei Stunden lang zu betreiben, muss man die Energie ΔE = 500W - 2h = 1000Wh = 1kWh übertragen. ### Energie jeder Form kann man messen. Sie wird in der Einheit Joule (1J) angegeben. ## 1.4 Energieerhaltung An einem warmen Sommertag auf einer langen Wasserrutsche ins Schwimmbecken zu rutschen, macht viel Spaß. Was passiert dabei mit der Höhenenergie, die man am Start hat? ### Energie geht nicht verloren Lenkt man die Kugel eines Fadenpendels aus und lässt sie los, so erreicht sie nach einer Hin- und Herbewegung wieder die Ausgangshöhe. Im höchsten Punkt kehrt die Kugel ihre Bewegungsrichtung um. Für einen Moment hat sie die Geschwindigkeit null. Das heißt, hier hat die Kugel nur die ihr zu Beginn zugeführte Höhenenergie, aber keine Bewegungsenergie. An dem Punkt, an dem das Pendel seinen tiefsten Punkt durchläuft, hat sie dagegen nur Bewegungsenergie. Die Energie wurde in diesen Punkten vollständig von einer Energieform in die andere überführt. Die Balkendiagramme für EH und EB in [B1](./images/page11.jpg)) geben dies an. An jeder anderen Stelle hat die Kugel sowohl Bewegungsenergie als auch Höhenenergie. Es liegt nahe, anzunehmen, dass die Gesamtenergie der Pendelkugel, also die Summe aus ihrer Bewegungsenergie und ihrer Höhenenergie, zu jedem Zeitpunkt gleich ist. Das bedeutet, dass während der Bewegung der Pendelkugel keine Energie dazukommt und auch keine verloren geht, also die Summe der Balkenlängen für EH und EB immer gleich bleibt. Man nennt dies das Prinzip von der Erhaltung der Energie. Beobachtet man die Pendelkugel längere Zeit, so stellt man fest, dass ihre Pendelhöhe immer kleiner wird, bis sie ganz aufhört zu schwingen. Dies scheint dem Prinzip der Energieerhaltung zu widersprechen. Man muss aber bei der Energieerhaltung alle Energieformen berücksichtigen. Bei jeder Energieüberführung wird ein Teil der Energie in thermische Energie überführt, was zur Erwärmung aller beteiligten Gegenstände, also auch der Umgebung, beiträgt. ### Bei jeder Energieüberführung trägt ein Teil der Energie zur Erwärmung der Umwelt bei. Wenn man dies berücksichtigt, kommt bei der Überführung keine Energie hinzu und es geht keine verloren. ## 1.5 Energieentwertung Beim Bremsen wird Bewegungsenergie des Wagens in thermische Energie der Bremsscheiben überführt. Bremsscheiben können dadurch bis zum Glühen erhitzt werden. ### Die Energienutzung hat Grenzen Bremst ein ICE, so wirken seine Motoren als Generatoren: Die Motoren überführen seine Bewegungsenergie in elektrische Energie und geben sie über die Oberleitung in das Stromnetz zurück. Bremst man dagegen mit den Scheibenbremsen eines Autos, so wird die Bewegungsenergie vollständig in thermische Energie der Bremsscheiben überführt. Die Temperatur der Bremsscheiben erhöht sich. Für die Weiterfahrt des Pkw ist diese Energie nicht mehr nutzbar. Sie ist zwar weiterhin vorhanden, aber für den Antrieb wertlos geworden. Ein Peltier-Element ist ein Gerät, das thermische Energie in elektrische Energie überführen kann. Es entzieht einem Bereich mit hoher Temperatur thermische Energie. Ein Teil davon wird in elektrische Energie überführt und treibt zum Beispiel einen Elektromotor an. Ein anderer Teil geht in einen Bereich mit niedriger Temperatur über. Der kalte Bereich erwärmt sich, der heiße kühlt sich ab. Das Peltier-Element liefert keine elektrische Energie, wenn kein Temperaturunterschied zwischen den beiden Bereichen mehr besteht. ### Der Wert von Energie Den Wert von Energie beurteilt man danach, inwieweit ihre Nutzung möglich ist. So kann die Höhenenergie des Wassers eines Stausees in einem Wasserkraftwerk in elektrische Energie mit ihren vielfältigen Nutzungs-möglichkeiten überführt werden. Mechanische, elektrische und chemische Energie haben in diesem Sinne hohen Wert. Weil thermische Energie nur eingeschränkt in andere Energieformen überführt werden kann, hat thermische Energie bei niedriger Temperatur den geringsten Wert . Bei jedem Vorgang wird ein Teil der Energie in thermische Energie bei niedriger Temperatur überführt. Man spricht von Energie-entwertung. ### Die Richtung von Vorgängen Lässt man einen hochgehobenen Ball los, so fällt er von allein zu Boden und bleibt nach ein paar Sprüngen liegen. Seine Höhenenergie wird dabei in thermische Energie überführt. Man hat aber noch nie einen auf dem Boden liegenden Ball beobachtet, der von sich aus hochspringt, während seine Umgebung und er sich dabei abkühlen. Das heißt, nicht alle Vorgänge, die nach dem Prinzip der Energieerhaltung möglich sind, laufen in der Natur tatsächlich von allein ab. ### Jeder Vorgang, bei dem Energie überführt wird, ist mit einer Erwärmung der Umgebung verbunden.