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Energieübertragung und Energiespeicherung

Die Energieübertragung in der Physik bezieht sich auf den Austausch von Energie zwischen verschiedenen Systemen, sei es durch Wärme, Arbeit oder Strahlung. Dies kann anhand von Beispielen wie Heizkörpern oder der elektrischen Stromversorgung veranschaulicht werden. Entdecke mehr über die verschiedenen Mechanismen in unserem Video! Neugierig geworden? All das und vieles mehr kannst du im folgenden Text erfahren.

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Die Autor*innen
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Jochen Kalt
Energieübertragung und Energiespeicherung
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse - 10. Klasse

Energieübertragung und Energiespeicherung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energieübertragung und Energiespeicherung kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib ein passendes Beispiel für jede der Energieformen an.

    Tipps

    Überlege, wo dir die genannten Energieformen im Alltag begegnen.

    Aus dem Namen lässt sich auf die Art der Energie schließen.

    Die potentielle und kinetische Energie gehören in die Mechanik, die Strahlungsenergie und thermische Energie in die Wärmelehre. Die elektrische Energie gehört in die Elektrodynamik.

    Lösung

    Alle Gegenstände, die sich auf einer gewissen Höhe befinden, besitzen potentielle Energie. Durch Verringern der Höhe wird Energie frei. Um die Höhe zu vergrößern wird mehr Energie benötigt. So auch der Stein auf dem Tisch.

    Elektrische Energie begegnet dir heutzutage fast überall im Alltag. Man kann sie zum Beispiel in einer Batterie speichern. Packst du die Batterie in ein Gerät wie zum Beispiel eine Digitalkamera, wird Energie aus der Batterie freigesetzt und dazu verwendet, die Kamera zu betreiben. Am Netzstrom können wir einen Akkumulator wieder aufladen, also seine elektrische Energie wieder erhöhen.

    Kinetische Energie ist überall dort vorhanden, wo sich etwas bewegt. Speichern kann man sie zum Beispiel in einem Schwungrad: Kinetische Energie wird benötigt, um das Schwungrad anzutreiben und kann wieder freigesetzt werden, um sie auf andere Gegenstände zu übertragen und diese anzutreiben oder sie in eine andere Energieform umzuwandeln.

    Thermische Energie ist quasi überall vorhanden: Jeder Gegenstand mit einer Temperatur besitzt thermische Energie.

    Strahlungsenergie begegnet dir eigentlich auch überall: Du kannst sie zum Beispiel auf deiner Haut spüren, wenn die Sonne auf deine Haut scheint und sie durch Strahlungsenergie erwärmt.

  • Beschrifte die Skizze eines Energieumwandlungsprozesses bei einem Verbrennungsmotor.

    Tipps

    Überlege dir am Beispiel eines Automotors, was in den Motor reingesteckt wird und was herauskommt und finde dann die passenden Energieformen dazu.

    Lösung

    Einen Verbrennungsmotor findest du beispielsweise in einem Auto. Hier wird Benzin oder Diesel getankt, worin chemische Energie gespeichert ist. Diese wird dann in kinetische Energie des Antriebsstrangs (der diese dann auf die Räder überträgt und somit das Auto antreibt) und thermische Energie des Motors (der Motor wird bei der Verbrennung des Kraftstoffs warm) umgewandelt.

    Hierbei geht keine Energie verloren (Energie geht niemals verloren!). Die thermische Energie ist für die Fortbewegung des Autos aber nicht mehr nutzbar, deshalb spricht man von Energieentwertung.

    Energieentwertung passiert bei jeder Energieumwandlung. Manchmal kann man aber einen Teil dieser Energie für andere Zwecke nutzen, zum Beispiel kann man mit der thermischen Energie des Automotors den Innenraum heizen.

  • Erkläre die verschiedenen Arten von Energieübertragung anhand von Beispielen.

    Tipps

    Stelle dir vor, wie die Energie bei den verschiedenen Beispielen transportiert wird.

    Bei jeder Energieumwandlung wird auch thermische Energie frei.

    Lösung

    Mechanisch geschieht die Übertragung bei dem Hammer auf einen Pflock und bei den Zahnrädern. Man kann sagen, die Energie wird durch Bewegung übertragen, die beiden Gegenstände müssen dabei in Kontakt sein.

    Energieübertragung durch Wärme funktioniert auch nur dann, wenn die beiden Gegenstände in Kontakt sind. So gibt eine Heizung Energie an Raumluft ab und heißes Wasser an eine Tasse (thermische Energie).

    Energieübertragung durch Strahlung dagegen funktioniert auch, wenn die beiden Gegenstände nicht in Kontakt sind. Zwischen Erde und Sonne zum Beispiel, wo ja zum größten Teil nur leerer Raum ist. Jeder heiße Gegenstand überträgt Energie auf seine Umgebung durch Strahlung, je heißer desto mehr. Das kann man gut bei glühenden Kohlen nachvollziehen: Man spürt die Wärme auf der Haut, die durch Strahlung von den Kohlen übertragen wird.

  • Erkläre die Funktionsweise eines Pumpspeicherkraftwerks.

    Tipps

    Es sind drei Energieformen, die an dem Prozess beteiligt sind: elektrische, kinetische und potentielle Energie. Überlege dir, welche davon wann vorliegen.

    Mechanische potentielle Energie nennt man auch, Lageenergie und Höhenenergie.

    Thermische Energie nennt man auch Wärmeenergie.

    Lösung

    In der heutigen Zeit wird es immer wichtiger, nutzbare Energie zu speichern. Besonders notwendig ist das bei der Speicherung von elektrischer Energie, die von Solaranlagen und Windrädern bereitgestellt wird. Diese produzieren die Energie nur, wenn die Sonne scheint bzw. der Wind weht. Jedoch wird zu jeder Tageszeit elektrische Energie benötigt. Daher wird diese umgewandelt und mechanisch in Staudämmen und Pumpspeicherkraftwerken als potentielle Energie gespeichert.

  • Bestimme die Energieformen, die in den folgenden Energiespeichern gespeichert werden.

    Tipps

    Überlege dir, durch welche Vorgänge jeweils Energie in und aus dem Speicher übertragen wird.

    Stelle dir vor, wie die Energie in dem Speicher gespeichert wird.

    Lösung

    In der heutigen Zeit wird es immer wichtiger, nutzbare Energie zu speichern. Besonders notwendig ist das bei der Speicherung von elektrischer Energie, die von Solaranlagen und Windrädern bereitgestellt wird. Diese produzieren Energie nur, wenn die Sonne scheint bzw. der Wind weht. Jedoch wird zu jeder Tageszeit elektrische Energie benötigt.

    • Daher wird diese umgewandelt und zum Beispiel mechanisch in Staudämmen und Pumpspeicherkraftwerken als potentielle Energie gespeichert.
    • Oder auch direkt als chemische Energie in Akkumulatoren oder Batterien. Hierbei ist der Akkumulator direkt Energiewandler und Speicher, sodass man den Eindruck hat, dass direkt die elektrische Energie gespeichert wird.
    • Die Speicherung in Form von thermischer Energie in Fernwärmespeichern ist nicht so effektiv, da diese schnell entweicht. Auch die Speicherung als kinetische Energie in Schwungradspeichern beschränkt sich auf Spezialanwendungen.
    Bei all diesen Speichermöglichkeiten gibt es Energieentwertungen durch die Entwicklung von nicht speicherbarer Wärme.

  • Bestimme die Energiebilanz der Energiespeicherung und -Übertragung.

    Tipps

    Achte darauf, was die entwertete Energie ist.

    Was bereits entwertet wurde, kann nicht noch einmal entwertet werden.

    Lösung

    Es gibt nicht nur das Problem der Energiespeicherung, auch der Transport von Energie führt zu unerwünschten Energieentwertungen.

    In unserem Fall:

    $E[kJ]=0,8\cdot 0,9\cdot 0,9 \cdot 0,8 \cdot 0,96 \cdot 20000000000 \text{J}=9953280000 \text{J} = 9953280 \text{kJ}$

    $E[\%]=100 \% \cdot 0,8\cdot 0,9\cdot 0,9 \cdot 0,8 \cdot 0,96 = 49,7664 \% \approx 50 \%$

    Es wird die Hälfte der Energie auf dem Weg zum Verbraucher entwertet.