Energieformen 8 / 1. Energieerhaltung Energieumwandlungen LH 8 / 2

Transkript

1 Energieforen 8 / Energie: Energie it eine phyikaliche Größe. Mit Energie können Körper bewegt, verfort, erwärt oder zur Auendung von Licht angeregt werden. Energieforen: Höhenenergie oder potentielle Energie: E h = g h Ein Körper it der Mae hat Höhenenergie, wenn er ich in der Höhe h über de Bezugniveau befindet. Bewegungenergie oder kinetiche Energie: E kin = v Ein Körper it der Mae hat Bewegungenergie, wenn er ich it der Gechwindigkeit v bewegt. Einheiten der Energie : J (Joule ) = N kg J = Beipiele: Höhenenergie eine Turpringer (=45 kg) in 5 Höhe. kg E h = 45 kg 9,8 5,0 = 05, Bewegungenergie eine Pkw (=,7t) it v = 70 E kin = 0,5 70kg 70 3,6 k h kg = ,4MJ Be.: Gechwindigkeiten ier in uwandeln! Energieerhaltung Energieuwandlungen LH 8 / Energieerhaltungatz: Ohne Eingriff von Außen ändert ich die Geatenergie eine Syte nicht. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, ondern nur von einer Energiefor in eine andere ugewandelt werden. Beipiel: Goldene egel der Mechanik: Bei reibungfreien Vorgängen it die Arbeit unabhängig vo Weg. Kraftwandler ändern da Produkt au Kraft und Weg nicht. Beipiel: Hebelgeetz F a = F a Ein Wagen ohne eigenen Antrieb ( = 35kg) tartet in der Höhe h = 3,5 über de Bezugniveau. Mit welcher Gechwindigkeit erreicht er da Ziel? (Ohne eibung!) Höhenenergie wird in kinetiche Energie ugewandelt! v = E h = E kin g h = v g h = 9,8 3, 5 : = 8,87 8,3 Die Endgechwindigkeit hängt nicht von der Mae ab! An der linken Seite de Hebel wirkt i Abtand a = 5,0 c eine Kraft von,8 N. Wie weit vo Drehpunkt entfernt u eine Mae = 00 g angebracht werden, dait der Hebel i Gleichgewicht it? F a = F a F a = g a

2 Arbeit Leitung Wirkunggrad LH 8 / 3 Definition der echanichen Arbeit: Wirkt auf einen Körper eine kontante Kraft läng der Wege, o ändert ich eine Geatenergie, da er bechleunigt, verfort oder angehoben wird. Diee Energiedifferenz bezeichnet an al Arbeit. W = E = E nachher - E vorher Arbeit = Kraft Weg W = F Bp: Hubarbeit erhöht die potentielle Energie eine Körper Ein Körper der Mae = kg wird u,5 angehoben. Dabei nit eine Höhenenergie zu. Die verrichtete Arbeit beträgt: W = F G = g = kg 9.8,5 = 94,3 J 0,9 Definition der Leitung: Die Leitung gibt an, in welcher Zeit eine betie Arbeit Arbeit W erbracht wird: P Zeit t Einheit der Leitung: J N Watt = W = PS = 736 W Definition de Wirkunggrade: Bei einer Energieuwandlung gibt der Quotient au nutzbarer Energie und aufgewandter Energie den Wirkunggrad an. E h = 5 J E k = 0 J 00% 80% Q = 5,0 J 0% E E Nutz auf P P Nutz Bp.: Höhenenergie E h = 5J wird in kinetiche Energie E k = 0J ugewandelt. Durch eibung wird ein Teil der Energie in nicht nutzbare innere Energie Q ugewandelt. auf 0J 5J 0,80 80% Aggregatzutände nnere EnergieLH 8 / 4 Teilchenodell und nneren Energie: Materie kot in fete, flüige oder gaförige Zutand vor. Bei Fetkörper ind die Atoe durch tarke Bindungkräfte an ihre Gitterplätze gebunden. Sie chwingen aber u die uhelage. Führt an de Fetkörper Energie zu, dann nit die Bewegung der Atoe zu und die Teperatur teigt an; an agt die nnere Energie de Fetkörper nit zu. Wenn die Schwingungen der Atoe zu heftig werden, brechen die Bindungen zwichen den Atoen auf und der Fetkörper chilzt. Die Energie, die zu Aufbrechen der Bindungen i Fetkörper benötigt wird, heißt pezifiche Schelzenergie. Bp.: pez. Schelzenergie Ei (Waer): 334 kg Bei Flüigkeiten werden die Atoe nur noch durch ehr chwache Kräfte zuaengehalten. Die Teilchen haben keine feten Gitterplätze ehr; ie können ich leicht gegeneinander verchieben. Die nnere Energie teckt bei Flüigkeiten in der Bewegungenergie der Teilchen. Bei Energiezufuhr bewegen ich die Teilchen chneller und die Teperatur der Flüigkeit teigt an. Bewegen ich die Atoe zu chnell, dann werden die chwachen Bindungen zwichen den Teilchen überwunden und die Flüigkeit verdapft. Die Energie zu Überwinden der Bindungkräfte in der Flüigkeit heißt pezifiche Verdapfungenergie. Bp.: pez. Verdapfungenergie Waer 56 kg

3 Aggregatzutände nnere Energie Teperatur LH 8 / 5 Bei Gaen können ich alle Teilchen frei bewegen. E gibt keine Kräfte zwichen den Atoen. Die Atoe nehen den geaten zur Verfügung tehenden au ein. Bei Energiezufuhr teigt die ittlere kinetiche Energie der Atoe an, die nnere Energie de Gae und die Teperatur nehen zu. Merke: Bei allen Aggregatzutänden der Materie gilt: Die nnere Energie eine Stoffe teckt in der kinetichen und potentiellen Energie (Bindungenergie) einer Atoe und Moleküle. Definition der Teperatur: Die ittlere kinetiche Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Teilchen eine Stoffe teckt, it ein Maß für die Teperatur eine Körper. Aboluter Teperaturnullpunkt: Körper die nnere Energie verlieren, da ie Wäre an andere Körper abgeben oder echaniche Arbeit verrichten, kühlen ab. Einige Experiente haben gezeigt, da bei -73 C die ungeordnete Bewegung der Atoe und Moleküle zur uhe kot. an kann Körper nicht unter -73 C abkühlen, da bei dieer Teperatur alle Teilchen in uhe ind. -73 C it der Nullpunkt der aboluten Teperatur (Kelvinkala) 0 K ˆ -73 C 73K ˆ 0 C Die Zahlenwerte bei der Kelvinkala und der Celiukala untercheiden ich u 73. Teperaturdifferenzen ind in beiden Skalen gleich groß. Merke: Wäre it nnere Energie, die vo eine Körper auf einen anderen übertragen wird! Spezifiche Wärekapazität: Jede Körper u Energie zugeführt werden, dait er ich erwärt. Die pez. Wärekapazität gibt an, wie viel Energie (in ) an benötigt, u kg eine Stoffe u K zu erwären. Bp.: pez. Wärekapazität Waer 4,9 kg K Zuaenhang zwichen Teperaturänderung und Wäre: ΔE i = c Voluenaudehnung bei Erwärung Dichte Anoalie de Waer 8 / 6 Flüigkeiten und Fetkörper dehnen ich in der egel bei Erwärung au. Da Audehnungverhalten it dabei toffabhängig. Alle Gae zeigen gleiche Audehnungverhalten. Bei kontante Druck it da Voluen direkt proportional zur Kelvinteperatur. Begriffbetiung Dichte: Bei Erhöhung der Teperatur dehnen ich viele Stoffe au, ohne da ich dabei die Mae de Stoffe ändert. Da bedeutet, da die einzelnen Moleküle nun einen größeren Abtand voneinander haben. Ein Maß hierfür it die Dichte eine Körper: Mae Dichte = Voluen V Anoalie de Waer Waer verhält ich i Bereich zwichen 0 und 4 C anoal.. Anoalie: Bei Erwären von 0 C bi 4 C zieht e ich zuaen und beginnt ert wieder bei 4 C ich auzudehnen. Bei 4 C hat e die größte Dichte.. Anoalie: Waer dehnt ich bei Gefrieren u 9 % eine Voluen au. Bedeutung für die Natur: 4 C ware Waer hat die größte Dichte. Winter befindet ich daher 4 C ware Waer i unterten Bereich eine See. Kältere Schichten (4 C bi 0 C) liegen darüber. Der See friert von oben zu.

4 Spannung Strotärke Elektriche Energie LH 8 / 7 Eleentarladung: Die kleinte Ladung, die ein Teilchen haben kann heißt Eleentarladung e. Elektron: q = e =,6 0-9 A Proton: q = + e = +,6 0-9 A Strotärke und Strotärkeeung: Die elektriche Strotärke it ein Maß dafür, welche Ladung Q ich in eine betiten Zeitintervall t durch eine betie Stelle i Strokrei bewegt. Einheit: Apere = A = Q t Stroegeräte werden in eihe gechaltet! Spannung und Spannungeung: Eine Spannung zwichen zwei Punkten A und B it die rache für einen Stroflu. Die Spannung gibt an, wie viel potentielle Energie eine Ladung verliert, wenn ie von A nach B fließt. = E q J Einheit: Volt = V = A Spannungegeräte werden parallel gechaltet! Volteter Apereeter Elektriche Energie (Arbeit): E el = W el = t El. Energie = Spannung Strotärke Zeitdauer Einheit: Joule = J = VA ; = 000J; MJ = 0 6 J Elektriche Leitung: W P el = = el t Spannung Strotärke = el. Arbeit pro Zeitintervall Einheit: Watt = W = VA ; kw = 000 VA Eine beondere Einheit der Energie in der Elektrizitätlehre: Kilowatttunde: kwh = 000W 3600 = 3,6 0 6 J Elektricher Widertand Geetz von Oh LH 8 / 8 Definition de elektrichen Widertande eine Bauteil: Der Quotient au Spannung und Strotärke betit den elektrichen Widertand. = V Einheit: Oh = = A Bp.: Eine Hauhaltglühlape hat die Aufchrift P= 60W bei 30 V. Berechne den Widertand der Glühbirne! P 60VA = = = 0,6087 A 30V 30V = =88,7 0,88 k 0,6087A Bp.: Welche Strotärke fließt durch einen Widertand von 0,35k bei einer Spannung von V? = = : V = 0,0348A 34A V 350 A Alle elektrichen Bauteile (Lapen, Motoren, Drähte ) haben einen elektrichen Widertand, der i Allgeeinen nicht kontant it, ondern von der angelegten Spannung abhängt. n einen --Diagra wird diee Eigenchaft grafich dargetellt! Nr. Nr.3 Nr. Spannung in V Kennlinie Nr. : Heißleiter (Kohletift); Widertand nit it zunehender Spannung und Strotärke ab. Kennlinie Nr: Kaltleiter (Metalle); Widertand nit it zunehender Spannung und Strotärke zu. Kennlinie Nr.3: Ohcher Widertand; Der Widertand it unabhängig von Spannung und Strotärke tet kontant! it proportional zu ; = kontant

5 Schaltung von WidertändenLH 8 / 9 eihenchaltung zweier Widertände: Parallelchaltung zweier Widertände: 0 0 Die Teilpannungen, die an den Widertänden abfallen, addieren ich zur Geatpannung 0. 0 = + Durch jeden Widertand fließt dieelbe Strotärke. 0 = = Der Geatwidertand der eihenchaltung it die Sue der Einzelwidertände! Ge = + Bp.: Ein 50 und ein 75 Widertand ind in Serie gechaltet. Berechne den Geatwidertand! Ge = + = = 5 0,3k Die Teiltröe durch die einzelnen Widertände addieren ich zur Geattrotärke in den Zuleitungen. 0 = + An jede Widertand liegt dieelbe Spannung an. 0 = = Der Kehrwert de Geatwidertand it gleich der Sue der Kehrwerte der Einzelwidertände. Ge Bp.: Ein 50 und ein 75 Widertand ind parallel gechaltet. Berechne der Geatwidertand! 5 Ge Ge = 30 Beten Dank an die Fachchaft Phyik de Gynaiu Pfarrkirchen für die freundliche ntertützung und die Genehigung zur Weiterverarbeitung ihre Grundwienkataloge!