Energieerhaltung und -umformung

Energieerhaltung und -umformung Übung

• 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
  $150\cdot 0,3\text{ Watt}=45\text{ Watt}$.