Energie und Arbeit sind also zueinander äquivalent und lassen sich ineinander transferieren. Die Energieänderung ist gleich die Arbeit.

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1 ENERGIE Definition (Physik): Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Entsprechend dieser Definition kann Energie weder erzeugt noch verbraucht oder zerstört werden. Ein Körper kann Energie aufnehmen, ansammeln und wieder abgeben. Der Input von Energie erfolgt meisten dadurch, dass am Körper eine (äußere) Arbeit durchgeführt wird. Umgekehrt gibt der Körper Energie ab, wenn er selbst Arbeit an einem anderen Körper verrichtet. Energie und Arbeit sind also zueinander äquivalent und lassen sich ineinander transferieren. Die Energieänderung ist gleich die Arbeit. Beispiel: Eine Maschine produziert, solange ihr Energie in Form von Treibstoff zugeführt wird. Eine Laterne kann den Gehsteig beleuchten, solange sie Energie in Form von elektrischer Spannung erhält. In der Mechanik wird zwischen potentieller Energie (Energie der Lage oder Energie der Form) und kinetischer Energie (Bewegungsenergie) unterschieden. Bewegungsenergie oder kinetische Energie Die klassische Form von Energie ist die kinetische Energie oder Bewegungsenergie. Die kinetische Energie ist ein Maß dafür, wie viel Arbeit man an einem Gegenstand verrichten musste, um ihn auf die Geschwindigkeit zu bringen, die er gerade hat. Potentielle Energie 1

2 Wenn an einem Körper Arbeit verrichtet wird, vergrößert man seinen Energiegehalt. Energie ist also gleichzusetzen mit "gespeicherter Arbeit". Diese "gespeicherte Arbeit" kann wieder abgegeben werden. Im Internationalen Einheitensystem (SI-Einheit) wird die Maßeinheit für Energie, Arbeit und Wärmemenge in Joule gemessen. Potentielle Energie, auch Lageenergie genannt, kommt einem Körper durch seine Lage in einem Kraftfeld zu, sofern es sich um eine konservative Kraft (z. B. Gravitations- und Federkraft) handelt. Die potentielle Energie nimmt in Kraftrichtung ab und entgegen der Kraftrichtung zu, senkrecht zur Kraftrichtung ist sie konstant. Bewegt sich der Körper von einem Punkt, an dem er eine hohe potentielle Energie hat, zu einem Punkt, an dem diese geringer ist, leistet er genau so viel physikalische Arbeit, wie sich seine potentielle Energie vermindert hat. Folglich kann man eine konservative Kraft zurückgewinnen. Diese Aussage gilt unabhängig davon, auf welchem Weg der Körper vom einen zum anderen Punkt gelangt ist. Ein Beispiel zur potentiellen Energie ist die aufgezogene Feder einer Uhr. Die Uhr hat ihre Energie durch Aufziehen durch eine Person erhalten, das heißt, es wurde Arbeit an ihr verrichtet. Wenn die Spannung der Feder nachlässt, übt wiederum die Uhr Arbeit (=Kraft) aus, indem sie die Zeiger der Uhr weiterbewegt. Ein anderes Beispiel ist ein hoch in die Luft gehaltener Ziegelstein, der, wenn er losgelassen wird, durch die Erdanziehungskraft, die Gravitation, in Richtung Erde fällt. Er besitzt die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, zum Beispiel einen Zaunstecken in die Erde zu treiben. Eine nicht konservative Kraft ist z. B. die Reibungskraft. Hier kann man die durch eine nicht konservative Kraft verrichtete Arbeit nicht zurückgewinnen, da die durch die Reibung verrichtete Gesamtarbeit immer negativ ist. Die Arbeit hängt hier von der Weglänge ab. Thermische Energie Bei thermischer Energie (Wärme) handelt es sich um die kinetische Energie der Gasteilchen eines Gases wie beispielsweise der Luft. 2

3 Elektrische Energie Die elektrische Energie wird durch elektrische Kräfte verursacht. Der elektrische Strom, der ins Haus geliefert wird, wird üblicherweise in Kilowattstunden abgerechnet. Chemische Energie Die Energie, die bei einer chemischen Reaktion frei wird oder hineingesteckt werden muss, bezeichnet man als chemische Energie.. Freie Energie Freie Energie ist der Wärmeanteil eines Gases, welcher mit einer Maschine in kinetische Energie umgewandelt werden kann. Masse Nach Einsteins Relativitätstheorie ist auch die Masse eine Energieform. Kinetische Energie + Masse = bewegte Masse Masse eines unbewegten Teilchens = Ruhemasse E = mc² (Einstein!) WICHTIG: Die kinetische Energie eines Körpers ist ident mit der an ihm verrichteten Beschleunigungsarbeit. Wir müssen einer Maschine umso mehr Energie zuführen, je mehr Arbeit verrichtet werden soll. Berechnung der potentiellen Energie: Formel Die Arbeit W ist das Produkt aus der in Wegrichtung wirkenden Kraft Fs und dem Weg s: W = Fs s Arbeit ist Kraft mal Weg. Bei der Einheit von Arbeit und Energie gilt: 1 Joule = 1 J 1 N 1 m = 1 Nm = 1 J Beispiel: Aufgabe: Auf einer Baustelle soll ein Kran eine Last mit G = 7000 N drei Meter hoch heben. Antwort: W1 = Fs s = 7000 N 3 m = Nm = J = 21 KJ Je größer der zurückgelegte Weg s, desto größer die verrichtete Arbeit W bzw. W s. 3

4 Arbeitsblätter: 1. Aufgabe Ein Kran "hält" eine Last auf gleicher Höhe! Wird dabei Arbeit verrichtet? Lösung: Nein Beim Heben eines Körpers verrichtet man an ihm Arbeit, nicht aber beim Halten auf gleicher Höhe, da hierbei kein Weg zurückgelegt wird. 2. Aufgabe Spart der Flaschenzug Arbeit? Lösung: ohne Flaschenzug W1 = Fs1 s1 = 100 N 4 m = 400 J mit Flaschenzug (N = 4m ) W2 = Fs2 s2 = 25 N 16 m = 400 J 4

5 Einteilung von Energie Fossile Energie Kernenergie Erneuerbare (regenerative) Energie 1) Fossile Energie Sie besteht vornehmlich aus Erdöl, Kohle und Erdgas, aus denen elektrischer Strom, Wärme, Kraftstoffe und Grundstoffe für die chemische Industrie sowie kinetische Energie zum Antrieb von Motoren und Maschinen erzeugt werden. 2) Nukleare Energie Die Brennstoffe der Kernenergie sind Uran (wird aus radioaktivem Schwermetall, der Pechblende, gewonnen) und Plutonium, ein stark radioaktives Abfallprodukt bei der Wiederaufbereitung von Uran. Derzeit ist vornehmlich die Kernspaltung in Einsatz, da die Kernfusion aufgrund hoher technischer Probleme (enorm hohe Temperaturen sind erforderlich!) nicht über Versuchsreaktoren hinausgekommen ist. 3) Erneuerbare Energien Als erneuerbare Energien werden Energiequellen bzw. Energieträger bezeichnet, die kurzfristig und nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich zur Verfügung stehen. Sie kommen aus nachhaltig zur Verfügung stehenden Energieressourcen, die sich entweder kurzfristig von selbst erneuern oder die Energiequelle unabhängig ist. Beispiele für unabhängige Energiequellen: für nachwachsende Rohstoffe: - Wasserkraft, - Biogas - Windenergie, - Bioethanol - solare Strahlung (Sonnenenergie), - Holz - Erdwärme (Geothermie), - Gezeitenenergie. 5

6 Weitere Möglichkeiten der Energiegewinnung Eine effizientere Nutzung der vorhandenen Energien aus Kraftwerken ist durch neuartige Kraftwerke möglich. Ein Beispiel: Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK) Bisher erzeugten die charakteristischen thermischen Kraftwerke ausschließlich elektrischen Strom. KWK-Anlagen dagegen geben gleichzeitig auch Wärme ab und erreichen dadurch sehr viel höhere Nutzungsgrade. Während rein stromerzeugende Anlagen Wirkungsgrade zwischen 33 % (ältere Anlagen) und 58,4 % (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke) erreichen, kommt man bei KWK-Anlagen auf Nutzungsgrade von 80 % und höher. Anteil dieser Energien für das Jahr am Gesamtstromverbrauch erneuerbarer Strom (aus Wasserkraft, Wind, Photovoltaik, Erdwärme und Biomasse) mit 68,2%, erneuerbare Fernwärme aus Biomasse und Erdwärme mit 36,2%, direkter Einsatz von erneuerbarer Wärme im energetischen Endverbrauch (Biowärme, Umgebungswärme, Erdwärme und Solarwärme) mit 30% und den Biotreibstoffen (Biodiesel und Bioethanol) mit 7,2% an den Treibstoffen insgesamt. Vor- und Nachteile fossiler, nuklearer und erneuerbarer Energien a) fossile Energie V o r t e i l e : Der Vorteil ist, dass sie sich bereits etabliert haben und jederzeit verfügbar sind sowie die Technologien alle auf diese Stoffe eingestellt sind, vom Auto über die Industrie. N a c h t e i l e : Ihre Vorkommen sind endlich und viele Lagerstätten sind bereits erschöpft sind. Entstehen von Treibhausgasen durch Verbindung von Kohlenstoff mit Sauerstoff bei der Verbrennung Gefahren durch Förderung (Stichwort: Tiefseebohrungen zerstören bei einem Leck jahrzehntelang das Wasser, Tiere und Pflanzen werden nachhaltig geschädigt) Ozonloch wird größer durch Treibhausgase, Gefahr von Hautkrebs steigt massiv an

7 Klimaveränderung durch Treibhausgase (Temperaturanstieg, massive Erhöhung des Meeresspiegels) Begrenzte Reserven fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas, Erdschiefer, Ölschiefer, Bitumen, Ölsande sowie Kohleflözgase und Gashydrate sowie Methan) Abhängigkeit von anderen Staaten durch die ungleiche Verteilung fossiler Energie b) Nukleare oder Kernenergie V o r t e i l e : fast keine Luftverschmutzung während des Betriebes eines AKWs Lieferung hoher Mengen an Energie kostengünstige Produktion N a c h t e i l e : Bau des Atomkraftwerks ist viel teurer als der eines Wasser- oder Gaskraftwerks hohe Strahlengefahr beim Abbau der Rohstoffe (Pechblende), Betrieb und Abfall des AKWs über Jahre keine Versorgungssicherheit (in ca. 40 Jahren kein Uranabbau möglich, da alles ausgebeutet ist) im Falle eines Unfalls unabsehbare Gefahren für Mensch und Umwelt (Luft, Erde, Wasser, Pflanzen, Tiere, Nahrungsmittel) mögliche hohe Strahlengefahr durch Naturereignisse (Erdbeben, Tsunamis,..), Materialfehler, oder -ermüdungen, menschliches Versagen, veraltete Sicherungseinrichtungen bei alten Kraftwerken, Gesetzesfehler (Bspl. aus der Realität: direkte Einleitung radioaktiven Wassers in den Ärmelkanal bei der Produktion von Plutonium in La Hague bzw. Sellafield ist gesetzlich erlaubt, da nur das Versenken von Fässern mit Atommüll verboten ist) Bau von Atombomben illegaler Handel mit Uran (Bau von schmutzigen Bomben durch Terroristen), kein Endlager für die Einlagerung der radioaktiven abgebrannten Brennstäbe hohe Strahlengefahr durch lange Halbwertszeit ( in Jahren strahlt nur mehr die Hälfte usw.), 7

8 die Verschrottung von stillgelegten Kernkraftwerken ist extrem teuer, da fast alle Teile verstrahlt sind. in Summe mehr CO2-Emmissionen als moderne fossile Gaskraftwerke durch energieaufwändige Urangewinnung und Uranaufbereitung. Abhängigkeit von uranproduzierenden Ländern c) erneuerbare Energie V o r t e i l e : Klimaschutz neue Arbeitsplätze Nachhaltigkeit Unabhängigkeit Kosteneinsparung, da diese Energiearten unbeschränkt vorhanden sind N a c h t e i l e : geringer Ertrag teurer als fossile Energieträger teilweise noch nicht bis zur Fabriksreife erforscht einige Energiearten sind nicht in jedem Land einsetzbar (Z. B. Gezeitenkraftwerk, Sonnenenergie) Weizen wird verspritet (Hunger auf der Welt!) 8