Basis 3 Grundbegriffe der Energie Beispiele für Energiewandlung

Transkript

1 ABBILDUNG 3 1 Basis 3 Grundbegriffe der Energie Beispiele für Energiewandlung

2 ABBILDUNG 3 2 Oberstufe 3 Grundbegriffe der Energie Schematischer Ablauf ein- und mehrstufiger chemischer Reaktionen Einstufige Reaktion Mehrstufige Reaktion

3 ABBILDUNG 3 3 Oberstufe 3 Grundbegriffe der Energie Carnot scher Kreisprozess

4 ABBILDUNG 4 1 Basis 4 Chemie und Energie Exotherme Reaktionen in Schule und Alltag Reaktion von metallischem Natrium mit Wasser zu Wasserstoff und Natriumhydroxid Verbrennung von Haushaltsabfällen in einem Müllheizkraftwerk

5 ABBILDUNG 4 2 Mittelstufe 4 Chemie und Energie Chemische Reaktionen in Batterien und Akkumulatoren Typ Anodenreaktion Kathodenreaktion Nennspannung Zink-Kohle Zn + 2 NH 4 Cl 2 MnO H e 1,5 Volt [Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 ] + 2 H e 2 MnO(OH) Alkali-Mangan Zn + 2 OH MnO H 2 O + 2 e 1,5 Volt ZnO + H 2 O +2 e Mn(OH) OH Blei-Akku Pb + SO 2 4 PbO 2 + SO H e 2 Volt PbSO e PbSO H 2 O Nickel-Metall- MH + OH NiO(OH) + H 2 O + e 1,2 Volt hydrid-akku M + H 2 O + e Ni(OH) 2 + OH Lithium-Ionen- Li x C n Li 1-x M n2 O 4 + x Li + + x e 3,6 Volt Akku C n + x Li + + x e * LiM n2 O 4 *

6 ABBILDUNG 4 3 Mittelstufe 4 Chemie und Energie Aufbau einer Elektrolysezelle Allgemeines Prinzip Am Beispiel Elektrolyse einer Zinkiodid-Lösung Amperemeter Amperemeter Voltmeter Voltmeter Kathode Anode Graphit - Kathode Graphit - Anode

7 ABBILDUNG 4 4 Mittelstufe 4 Chemie und Energie Aufbau eines einfachen Kalorimeters Thermometer Rührer Erlenmeyerkolben 100 ml Wasser Konservendose Löcher zur Luftzirkulation Spiritusbrenner

8 ABBILDUNG 5 1 Basis 5 Beleuchtung Verschiedene Leuchtmittel

9 ABBILDUNG 5 2 Mittelstufe 5 Beleuchtung Elektromagnetisches Wellenlängenspektrum von Ultraviolett bis Infrarot Das für den Menschen sichtbare Spektrum (Licht) Ultraviolett Infrarot 400 nm 450 nm 500 nm 550 nm 600 nm 650 nm 700 nm

10 ABBILDUNG 5 3 Basis 5 Beleuchtung Lichtspektren einer Glühlampe und einer weißen LED Glühlampe Weiße LED

11 ABBILDUNG 5 4 Mittelstufe 5 Beleuchtung Chemie als Treiber der Entwicklung neuer Materialien für Lichtquellen Reduktion der Kosten der Lichterzeugung Erhöhung der Lichtausbeute bzw. Energieeffizienz Erhöhung der Lebensdauer Verringerung des Materialaufwandes Treiber Erhöhung der Lichtqualität Verbesserung der Umweltverträglichkeit Erhöhung der Leistungsdichte Verbesserung der spektralen Energieverteilung Variable Farbpunkteinstellung Ersatz problematischer Materialien, z. B. Hg oder Pb Recycling der Lichtquellen und Materialien Miniaturisierung und Reduktion der Einbautiefe Verbesserung von Projektionssystemen Reduktion des Zeitaufwandes für photochemische Prozesse

12 Mittelstufe 5 Beleuchtung Aufbau einer Halogenlampe Temperaturzonen im Glaskolben ABBILDUNG 5 5 Schema der Temperaturverteilung innerhalb einer Halogenlampe Kolbenwand Modifiziert nach: [

13 ABBILDUNG 5 6 Mittelstufe 5 Beleuchtung Aufbau einer Energiesparlampe Elektronen Leuchtstoff Glasröhre Quecksilberatom Elektrode (Wolframdraht) Sichtbares Licht UV-Strahlung

14 ABBILDUNG 5 7 Oberstufe 5 Beleuchtung Chemie der Fluoreszenzlampen Hg-Spektrum B 450 nm BaMgAl 10 O17:Eu nm G 545 nm LaPO 4 :Ce,Tb R 610 nm Y 2 O 3 :Eu Leuchtstoffschicht Lampenglas

15 ABBILDUNG 5 8 Oberstufe 5 Beleuchtung Termschema von Quecksilber Grundzustandskonfiguration: [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 Angeregter Zustand: [Xe] 4f 14 5d 10 6s 6p * * Singulett: beide Spins der Elektronen in der p Schale antiparallel Triplett: beide Spins der Elektronen in der p Schale parallel * Wellenlängen in m (Å) nach: Haken, Wolf, Atom- und Quantenphysik, Springer Verlag 1996

16 ABBILDUNG 5 9 Oberstufe 5 Beleuchtung Oxidation des Luciferins durch das Enzym Luciferase Käfer-Luciferin Oxyluciferin

17 ABBILDUNG 5 10 Oberstufe 5 Beleuchtung Vorteile von LED gegenüber konventionellen Leuchtmitteln rund 90 % geringerer Energieverbrauch lange Lebensdauer (bis zu Stunden) große Helligkeit (max. 250 Lumen / Watt*) bei geringer Größe breites Farbspektrum vielfältige Anwendungen * Stand: September 2010

18 ABBILDUNG 5 11 Oberstufe 5 Beleuchtung Aufbau einer LED Kathode Halbleiterchip Linse Anode Kontaktdraht

19 Oberstufe 5 Beleuchtung Diskrete Emissionswellenlängen am Beispiel des Bändermodells ABBILDUNG 5 12 p-leitend n-leitend Leitungsband W G Valenzband

20 ABBILDUNG 5 13 Oberstufe 5 Beleuchtung Historische Entwicklung anorganischer Leuchtdioden (LEDs) 1970 GaAsP < 0,1 W < 0,1 lm Gelb + Rot 2010 Al lngap, Al lngan 0,6 10 W lm Alle Farben + UV

21 ABBILDUNG 5 14 Oberstufe 5 Beleuchtung Funktionsprinzip von weißen LEDs Leuchtstoff Ag-Spiegel InGaN Chip Silicium Blauer LED Chip: InGaN Leuchtstoffschicht (Konverter): Gelb Gelb + Rot Grün + Rot Kaltweiße Lichtquellen Warmweiße Lichtquellen Kalt- und warmweiße Lichtquellen

22 ABBILDUNG 5 15 Oberstufe 5 Beleuchtung Aufbau einer OLED Lichtaustritt Transparente Kathode Silicium Schichtträger Anode Organische Schichten z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin)

23 ABBILDUNG 5 16 Oberstufe 5 Beleuchtung Aufbau einer OLED Aktive Matrix Transparente Kathode Lichtaustritt Organische Schichten Anode TFT Matrix Silicium Schichtträger

24 ABBILDUNG Basis 6 Wohnen und Wärme Photovoltaikelemente an Satelliten, Hausfassaden und Verkehrsanlagen

25 Oberstufe 6 Wohnen und Wärme Empfindlichkeitsspektrum eines Schwarzen Silicium -Sensors ABBILDUNG Schwarzes Silicium Silicium InGaAs Ge

26 ABBILDUNG Oberstufe 6 Wohnen und Wärme Aufbau einer Grätzel-Zelle und Schema des Elektronenflusses Lichtteilchen Glasplatte oder lichtdurchlässige Kunststofffolie Anode Halbleiter (TiO 2 ) mit Farbstoff Farbstoff Elektrolyt (KI/I 2 ) Graphit Kathode Glasplatte oder Kunststofffolie

27 ABBILDUNG Oberstufe 6 Wohnen und Wärme Aufbau einer organischen Solarzelle Kathode Akzeptorphase P3HT PCBM : P3HT Phenyl-C61-Buttersäuremethylester Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) Anode Donorphase PCBM

28 ABBILDUNG Basis 6 Wohnen und Wärme Solarkocher und Vakuumröhrenkollektor

29 ABBILDUNG Mittelstufe 6 Wohnen und Wärme Aufbau eines Sonnenkollektors Isolation Hochselektive Absorberbeschichtung Solarglas Umlaufende Nut zur einfachen Kollektormontage Pulverbeschichteter umlaufender Aluminiumrahmen Sammelrohr Rückseitenblech aus Aluminium Sichere Befestigung des Solarglases Mäanderrohr, durchgehend auf Absorber mittels Laser verschweißt

30 ABBILDUNG Mittelstufe 6 Wohnen und Wärme Aufbau eines Vakuumröhrenkollektors Wärmetauscher (Kondensator) Wärmedämmung Sammelrohr Licht Wärmerohr Absorber Glasrohr

31 ABBILDUNG Basis 6 Wohnen und Wärme Technische Anwendungen von Brennstoffzellen

32 ABBILDUNG Mittelstufe 6 Wohnen und Wärme Aufbau einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Wasser (H 2 O) + Methanol (CH 3 OH) Sauerstoff (O 2 ) Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) + Wasser (H 2 O) Wasser (H 2 O) Katalysator-Beschichtung Protonenleitende Polymermembran (PRM)

33 ABBILDUNG Mittelstufe 6 Wohnen und Wärme Wärmedämmung in Natur und Technik

34 ABBILDUNG Mittelstufe 6 Wohnen und Wärme Energieeffizientes Wohnen Windkrafträder Dachisolierung Sonnenkollektoren Solarzellen Wärmeschutzfenster Dämmmaterialien Organische Solarzellen Magnetische Kühlung Organische Leuchtdioden Brennstoffzellen

35 ABBILDUNG Oberstufe 6 Wohnen und Wärme Struktur eines Melaminharz-Dämmstoffs und Silikat-Aerogels Melaminharz-Dämmstoff Silikat-Aerogel Melamin (H 3 CO) 4 Si + 4 H 2 O H 4 SiO CH 3 OH

36 ABBILDUNG Basis 7 Mobilität Mobile Unterhaltung unterwegs

37 ABBILDUNG Mittelstufe 7 Mobilität Spannungsreihe der Metalle Element als Ion Normalpotenzial Gold Au Au 3+ +3e +1,68 Volt Silber Ag Ag + +e +0,80 Volt Kupfer Cu Cu 2+ +2e +0,34 Volt Wasserstoff H 2 2H + +2e 0 Volt Blei Pb Pb + +e -0,125 Volt Eisen Fe Fe 2+ +2e -0,44 Volt Zink Zn Zn 2+ +2e -0,76 Volt Aluminium Al Al 3+ +3e -1,5 Volt Magnesium Mg Mg 2+ +2e -2,40 Volt

38 ABBILDUNG Mittelstufe 7 Mobilität Aufbau einer Zink-Kohle-Batterie Abdichtung Graphit (Kathode) Mangandioxid (MnO 2 ) und Kohlenstoff (C) Ammoniumchlorid-Paste (NH 4 CI) Poröses Papier Zink (Zn)-Behälter (Anode) Leitfähiges Gehäuse

39 ABBILDUNG Mittelstufe 7 Mobilität Verschiedene Batterien und Akkus

40 ABBILDUNG Oberstufe 7 Mobilität Aufbau eines Li-Ionen-Akkus Plus-Pol Separator Minus-Pol Ladevorgang Kohlenstoff (Graphit) Metall (Cobalt) Lithium Sauerstoff Entladevorgang Nicht-wässrige Elektrolytlösung Ladevorgang Entladung

41 ABBILDUNG Oberstufe 7 Mobilität B-Netz Funktelefon und modernes Smart Phone Funktelefon (1990er Jahre) Smart Phone (2010)

42 ABBILDUNG Basis 7 Mobilität Drei Generationen: Materialien in Automobilbau & Luftfahrt

43 ABBILDUNG Mittelstufe 7 Mobilität Metallschäume und Sandwichstrukturen

44 ABBILDUNG Oberstufe 7 Mobilität Treibstoffherstellung aus Nachwachsenden Rohstoffen