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Energieerhaltung und -umformung

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Team Realfilm
Energieerhaltung und -umformung
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse - 10. Klasse

Beschreibung Energieerhaltung und -umformung

Energieerhaltung und Energieumformung in der Physik

Hast du schon einmal davon gehört, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann? Dann hast du dich bestimmt gefragt, wie das sein kann – denn aus der Steckdose in deinem Zimmer kommt schließlich Strom, also ein Energieträger, der in einem Kraftwerk erzeugt wurde. Tatsächlich werden in einem Kraftwerk allerdings nur verschiedene Energieformen ineinander umgewandelt. Die Energiemenge bleibt dabei gleich. Dieses Phänomen nennt man die Energieerhaltung.

Was ist die Energieerhaltung?

Energieerhaltung – Definition

Die Energieerhaltung, oder der Energieerhaltungssatz, besagt, dass Energie lediglich zwischen verschiedenen Energieformen umgewandelt, aber nicht erzeugt oder vernichtet werden kann.

Betrachten wir zum Beispiel ein Motorrad mit einem Benzinmotor. Im Benzin ist chemische Energie gespeichert. Im Motor wird diese Energie durch eine Verbrennungsreaktion in Bewegungsenergie umgewandelt. Allerdings werden nicht $100~\%$ der chemischen Energie in Bewegungsenergie umgewandelt – ein Teil wird in Schallenergie umgewandelt und ein weiterer, sogar der größte Teil, wird in Wärmeenergie umgewandelt. Umgangssprachlich spricht man von Energieverlust, denn diese Energie geht dem eigentlichen Nutzen, den man erzielen will, verloren. Aber aus physikalischer Sicht wird sie lediglich umgewandelt.

Das Verhältnis aus insgesamt eingesetzter Energie und nutzbarer Energie (hier also der Bewegungsenergie) heißt Wirkungsgrad:

$\text{Wirkungsgrad} = \frac{\text{nutzbare Energie}}{\text{insgesamt eingesetzte Energie}}$

Für Verbrennungsmotoren liegt der Wirkungsgrad bei um die $20~\%$. Nach den Gesetzen der Thermodynamik ist ein Wirkungsgrad von $100~\%$ nicht möglich.

Auch wenn das Motorrad anhält geht die Bewegungsenergie nicht verloren, sondern wird wieder in andere Energieformen umgewandelt, hauptsächlich durch Reibung in Wärmeenergie. Das wird besonders deutlich, wenn ein Motorrad sehr stark bremst: Dann kann es sogar passieren, dass die Reifen so heiß werden, dass es qualmt.

Dieses Video

In diesem Video erhältst du eine kurze Einführung zum Thema Energieerhaltung und Energieumformung. Außerdem lernst du anhand eines kurzen Beispiels, was der Wirkungsgrad ist. Neben Text und Video findest du auch Aufgaben zur Energieerhaltung.

Transkript Energieerhaltung und -umformung

Die Energiereserven der Erde stammen fast ausschließlich von der Sonne. Mithilfe der Photosynthese wandeln Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie um. Diese chemische Energie steckt dann letztendlich in der Nahrung und in den fossilen Energieträgern. Ähnlich wie eine Maschine kann unser Körper chemische Energie in kinetische Energie und Wärmeenergie umwandeln. Und unsere Kraftwerke können sie in elektrische Energie umwandeln. All unsere Energie stammt von der Sonne. Und nichts davon geht verloren, wenn wir sie nutzen, auch wenn sie in unterschiedliche Formen umgewandelt wird. Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt aus, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann. Energie kann lediglich in andere Formen umgewandelt werden. In Autos wird die chemische Energie des Benzins zum Antrieb benutzt, also in kinetische Energie umgewandelt. Aber kinetische Energie ist nicht das einzige Ergebnis der Benzinverbrennung in den Motoren. Wenn wir zum Beispiel mit einem Motorrad eine Benzinmenge verbrauchen, die einem Betrag von 50 Megajoule an chemischer Energie entspricht, werden davon aber nur 20 Prozent in kinetische Energie umgewandelt. In Motoren geht Energie in Form von Lärm und Wärme verloren. Der Wirkungsgrad eines Motors ist der Quotient aus der nutzbaren Energie und der insgesamt eingesetzten Energie. In unserem Fall ist das der Quotient aus der kinetischen Energie des Fahrzeugs und der chemischen Energie des Benzins. Der Wirkungsgrad wird üblicherweise in Prozent angegeben. Je höher der Prozentsatz ist, desto effizienter ist die Energieumwandlung der Anlage. In unserem Beispiel beträgt der Wirkungsgrad des Motorrads 20 Prozent. Aber es gibt keine Apparatur mit einem Wirkungsgrad von 100 %, denn überall – von Pflanzen bis zu Kraftwerken – treten Energieverluste auf.

1 Kommentar

1 Kommentar
  1. Sehr tolles Video.
    Hat mir sehr gut gefallen!!!

    Von Joachim Allgeier, vor mehr als einem Jahr

Energieerhaltung und -umformung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energieerhaltung und -umformung kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die jeweiligen Quellen der Energieformen an.

    Tipps

    Pflanzen nutzen die Energie der Sonne in der Photosynthese.

    Beim Radfahren kann einem ganz schön warm werden, aber das ist nicht das eigentliche Ziel.

    Lösung

    Im Inneren der Sonne verschmelzen Wasserstoffatome zu Heliumatomen. Bei dieser Umwandlung entsteht elektromagnetische Strahlung, die wir hier auf der Erde als Licht wahrnehmen. Die Energie dieses Lichtes nutzen Pflanzen in der Photosynthese, um in einer chemischen Reaktion Zuckermoleküle zu erzeugen. In diesen Molekülen ist dann das Licht der Sonne als chemische Energie gespeichert.

    Die chemische Energie der Pflanzen nutzt nun wiederum der Mensch, um sich z.B. mit einem Fahrrad fortzubewegen. Er wandelt sie also in kinetische Energie um. Auch die Energie des Windes, der ein Windrad antreibt, ist kinetische Energie. Die Drehung des Windrads macht aus ihr mithilfe eines Generators elektrische Energie. Bei diesen Prozessen wird aus einem Anteil der eingespeisten Energie auch Wärmeenergie, allerdings nicht hauptsächlich.

  • Beschreibe, wie Energie umgewandelt wird.

    Tipps

    Sehr effektive Maschinen haben einen hohen Wirkungsgrad.

    Der erste Hauptsatz der Thermodynamik heißt auch Energieerhaltungssatz.

    Lösung

    Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt aus, dass Energie weder erzeugt, noch vernichtet, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Das bedeutet auch, dass die gesamte Energie, die im Universum existiert, immer gleich bleibt. Der Verbrennungsmotor ist ein gutes Beispiel für die Energieumwandlung. Darin wird chemische Energie, die in den Molekülen des Treibstoffs gespeichert ist, in Bewegungsenergie umgewandelt. Die Bewegungsenergie nennt man auch kinetische Energie. Als Energieverluste erzeugt der Verbrennungsmotor auch Wärme und Schall, da diese Anteile der Energie nicht für die Fortbewegung genutzt werden können. Das Verhältnis der tatsächlich nutzbaren Energie zur insgesamt aufgewendeten Energie, bezeichnet man als Wirkungsgrad einer Maschine.

  • Erkläre die Umwandlung der Energie.

    Tipps

    Ein Feuer nutzt die in den Pflanzen gespeicherte Energie.

    Eine Windkraftanlage nutzt die kinetische Energie des Windes.

    Lösung

    Eine Solaranlage nutzt die Lichtenergie der Sonne, um elektrische Energie zu erzeugen, zusätzlich wird ein Teil der Energie in Wärme umgesetzt. Der Rotor und die Heizspirale eines Föhns erzeugen aus elektrischer Energie einen warmen Luftstrom, also kinetische Energie und Wärme. Zusätzlich entsteht Schall. In einem Feuer wird ebenfalls chemische Energie umgesetzt, die im Holz gespeichert ist. Dabei entstehen Licht und Wärme.

  • Bestimme die Wirkungsgrade.

    Tipps

    Der Wirkungsgrad einer Maschine ist das Verhältnis der nutzbaren Energie zur insgesamt aufgewendeten Energie.

    Ein Verhältnis von 1 zu 100 oder 0,01 entspricht einem Prozent.

    Lösung

    Um die Wirkungsgrade zu bestimmen, musst du zunächst entscheiden, welche Form von Energie jeweils die nutzbare Energie ist.

    Eine Windkraftanlage und ein Kohlekraftwerk dienen jeweils dazu, elektrische Energie zu erzeugen. Hier musst du deshalb die Menge der erzeugten elektrischen Energie durch die aufgewendete Energie (1000 MJ) teilen.

    Für die Windkraftanlage erhältst du so einen Wirkungsgrad von 500 MJ/1000 MJ= 0,5=50%.
    Für das Kohlekraftwerk erhältst du so einen Wirkungsgrad von 30% und für den Elektromotor, der kinetische Energie erzeugt, 90%.
    Die Kerzenflamme soll vor allem Licht erzeugen. Ihr Wirkungsgrad beträgt deshalb 0,1%.

  • Beschreibe die Energieerhaltung.

    Tipps

    Pflanzen speichern die Energie der Sonne.

    Der erste Hauptsatz der Thermodynamik wird auch Energieerhaltungssatz genannt.

    Lösung

    Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Energie im Universum immer erhalten bleibt. Es kann keine Energie erzeugt oder vernichtet werden.

    Sie kann durch verschiedene Prozesse aber umgeformt werden. Beispielsweise entsteht chemische Energie durch die Photosynthese der Pflanzen aus der Lichtenergie der Sonne.

    Chemische Energie wird dann beispielsweise in einem Auto in kinetische Energie umgewandelt. Als zusätzliche, sogenannte Verlustenergie entsteht Wärme und Schall.

  • Ermittle die jeweiligen Leistungen.

    Tipps

    Die Leistung entspricht einer Energiemenge pro Zeit und hat die Einheit Watt. Wenn die Sonne 1000 Watt liefert, gibt sie pro Sekunde eine Energie von 1000 Joule ab.

    Du kannst ausrechnen, welcher Anteil der Energie in nutzbare Energie umgewandelt wird, indem du die insgesamt reingesteckte Energie mit dem Wirkungsgrad multiplizierst.

    Du kannst zuerst ausrechnen, welche Leistung die Solaranlage in Form von elektrischer Energie erzeugt. Bestimme dann, welchen Teil dieser Leistung die Lampen wieder als Licht abgeben.

    Lösung

    Wir können zunächst ausrechnen, welcher Teil der Lichtenergie der Sonne von der Solaranlage in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Solaranlage hat einen Wirkungsgrad von $15\%$. Von den $1000\text{ Watt}$ der Sonne werden also $1000\cdot 0,15\text{ Watt}=150\text{ Watt}$ in elektrische Leistung umgewandelt.

    Nun können wir bestimmen, welcher Teil der elektrischen Energie in den beiden Lampen jeweils wieder in Lichtenergie umgewandelt wird, indem wir die Leistung der Solaranlage mit den jeweiligen Wirkungsgraden multiplizieren.

    Für die Glühlampe ergibt sich dann
    $150\cdot 0,05\text{ Watt}=7,5\text{ Watt}$.

    Für die effizientere LED-Lampe ergeben sich
    $150\cdot 0,3\text{ Watt}=45\text{ Watt}$.

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