FOS: Energieerhaltung, Energieumwandlung 1. Eine aufgehängte Kugel wird von der Nase eines Schülers aus schwingen gelassen.

Transkript

1 R. Brinkann Seite FOS: Energieerhaltung, Energieuwandlung 1 Energie tritt in vielen Foren auf und kann ich wandeln. Eine aufgehängte Kugel wird von der Nae eine Schüler au chwingen gelaen. Beobachtung: Laen wir ein Fadenpendel chwingen, o ändert ich der Bewegungzutand der Kugel laufend. Trotzde erreicht ie, wenn an nicht zu lange wartet, ier wieder den Zutand, au de ie getartet it. (Schüler bechreiben dieen Vorgang in Einzelheiten). Bei Pendeln der Kugel wandeln ich laufend Bewegungenergie und Höhenenergie ineinander u. Eine Kugel hängt an einer Feder. Au der Gleichgewichtlage lenken wir ie au und laen lo. Beobachtung: Die Kugel chwingt periodich auf und ab. Die Höhen der Ulenkpunkte bleiben zunächt gleich. Sie ändern ich it der Zeit infolge der Reibung. Bei Auf und Ab der Kugel wandeln ich laufend Spannenergie, Bewegungenergie und Höhenenergie ineinander u. Höhenenergie, Bewegungenergie und Spannenergie fat an unter de Oberbegriff echaniche Energie zuaen. Energieerhaltung i abgechloenen Syte Wa it ein abgechloene Syte? Denken wir an die Geldenge auf einer völlig von der Außenwelt abgechloenen Inel. Gleichgültig, wa ich dort abpielt und wie dort da Geld auf Einwohner und Banken verteilt it, ier bleibt die Geldue kontant. Wie da Geld auf der Inel gewieraßen in eine einzigen Treor eingechloen it, o können wir bei jede der vorigen Veruche einen Bereich abgrenzen, der die Energie einchließt. Zu diee Bereich gehören alle Körper, die während de Veruch iteinander in Wechelwirkung tehen und die Energie untereinander autauchen. Fadenpendel: Pendelkörper, Aufhängung, Faden, Erde bilden zuaen da abgechloene Syte. U dieen Bereich kann an in Gedanken eine Hülle legen, die nicht durchlät. Da o enttandene Gebilde nennt an ein energetich abgechloene Syte. E it ein Energietreor. Die Energie, die de Pendel i laufe der Zeit verloren geht, erhöht die innere Energie de Syte. Da äußert ich durch geringfügige Erwärung. Ertellt von R. Brinkann hoha1_ :4 Seite 1 von 8

2 R. Brinkann Seite Zuaenfaung: 1. Energie kann ihre For wandeln. Mechaniche Energieforen ind Höhenenergie, Bewegungenergie und Spannenergie.. Einen Bereich, der it einer Ugebung keine Energie autaucht, nennt an ein energetich abgechloene Syte. 3. In eine abgechloenen Syte bleibt unabhängig von den Vorgängen, die ich darin abpielen, die Energie erhalten. Zuaengefat heißt da: Ohne Energie geht nicht. Naturwienchaftler erklären Energie o: Energie it die Fähigkeit eine Körper Arbeit zu verrichten. Ein Körper, der arbeiten, wären oder leuchten kann, beitzt Energie. Für viel Arbeit, viel Wäre oder viel Licht it auch viel Energie nötig. Energie it denach kein Stoff, ondern eine Eigenchaft von Körpern. So it z.b. Benzin elbt keine Energie. Ert wenn e i Motor verbrannt wird, wird eine Energie frei. E it ein Energieträger. Auch der elektriche Stro it keine Energie. Er trägt die Energie it ich und gibt ie ert in den Elektrogeräten ab. Der elektriche Stro tranportiert Energie. Verchiedene Energieforen. Die Höhenenergie (Lageenergie). Bei Uzug wird eine Bücherkite in den erten Stock getragen. Da it für den Träger antrengend, er benötigt dazu Energie (Fähigkeit Arbeit zu verrichten). Wo bleibt diee Energie, wenn die Kite oben i erten Stock abgetellt wird? Die Energie teckt in der Bücherkite. Da erkt an, wenn an ie au de Fenter herunterfallen lät. Wovon hängt die Energie ab, die in der tranportierten Kite teckt? Ein gehobener Körper hat Höhenenergie. Sie it u o größer, je größer eine Höhe und eine Mae it. Ertellt von R. Brinkann hoha1_ :4 Seite von 8

3 R. Brinkann Seite Die Bewegungenergie (kinetiche Energie). Auch ein Körper in Bewegung hat Energie. Da kann an bei Autounfällen ier wieder ehen. Schwere Schäden treten vor alle dann auf, wenn die Fahrzeuge chnell gefahren ind und wenn e ich u chwere Latwagen handelt. Drücke it den Händen ein Stück Knetgui. E wird verfort, die dazu nötige Energie liefern deine Hände. Schleudere die Knetae gegen die Wand. Die Mae trifft it hoher Gechwindigkeit auf die Wand und wird verfort. Die dazu nötige Energie liefert die Gechwindigkeit. Sie wurde aufgebracht durch deinen Ar, der die Knetae bei Wurf bechleunigte. Ein bewegter Körper hat Bewegungenergie. Sie it uo größer, je größer eine Gechwindigkeit und je größer eine Mae it. Die Spannenergie. Ein Bogenchütze bechleunigt den Pfeil durch einen Bogen, den er it de Ar pannt. Ein gepannter Bogen u denach Energie beitzen. Ein gepannter elaticher Körper hat Spannenergie. Sie it uo größer, je tärker der Körper gepannt und je härter er it. Weitere Energieforen. Höhen-, Bewegung- und Spannenergie nennt an auch echaniche Energien, weil da Gebiet, da ich it Kräften und Bewegungen befat, Mechanik heißt. Auch ein heißer Körper hat Energie, denn er kann andere Körper erwären oder er kann leuchten. Diee Energie teckt i Inneren de Körper bei den kleinten Teilchen. Dehalb agt an, ein heißer Körper hat innere Energie. Die Energie de Benzin oder der Kohle teckt i cheichen Aufbau dieer Stoffe. Ihre cheiche Energie wird ert bei der Verbrennung frei. Auch in der Nahrung it die Energie cheich gebunden. Ertellt von R. Brinkann hoha1_ :4 Seite 3 von 8

4 R. Brinkann Seite Energieuwandlung und Energieübertragung. Lae ein Pendel chwingen und beobachte die Bewegungen genau. Mache eine Auage über die Energiearten die dabei auftreten. Stichwort: Höhenenergie und Bewegungenergie. Lae eine rollende Kugel auf eine gleich große prallen und beobachte. Wa gechieht it der Bewegungenergie der erten Kugel? Energie kann ugewandelt werden. Nit eine Energieart ab, o nit eine andere Energieart gleichzeitig zu. Der Zuaenhang zwichen Arbeit und Energie. Beipiel: Ein Sack Getreide wird ittel Seil und Rolle hochgezogen. Der Mann a Seil verrichtet Arbeit. Der Sack gewinnt an Höhe und oit an Höhenenergie. Die Arbeit, die der Mann a Seil verrichtet, wird in For von Höhenenergie gepeichert. Die Arbeit de Manne wird in For von Energie auf den Sack übertragen. Wenn Arbeit verrichtet wird, dann wird ier Energie übertragen oder ugewandelt. Arbeit it Energieuetzung. Berechnung von Energie. U Energien berechnen zu können, hat an fetgelegt: Die Energie eine Körper it o groß, wie die Arbeit, die er verrichten könnte, oder wie die Arbeit, die bei der Energieübertragung an ih verrichtet wurde. Beipiel: Ein Sack hängt in 4 Höhe und hat eine Mae von 75 kg. Wie groß it eine Höhenenergie? Wa it Arbeit? Bewegen wir einen Körper unter Kraftaufwand, dann verrichten wir phyikaliche Arbeit. Arbeit = Kraft Weg W = F F F Dabei it die Kraft geeint, die in Richtung de Wege weit. Ertellt von R. Brinkann hoha1_ :4 Seite 4 von 8

5 R. Brinkann Seite Die Arbeit, die verrichtet werden u, u den Sack 4 anzuheben it: W = F = g h kg = 75kg 9,81 4 = 943 = 943N F g h F g Urechnungen: 1 kg/ = 1 N 1 N = 1 J (Joule) W = 943 N = 943 J =,943 kj Da it die Arbeit, die zu heben de Sacke aufgewendet werden ute. Genau diee Arbeit hat der Sack al Energie gepeichert. Für die Höhenenergie gilt alo: E = W = g h E = Energie, Einheit N oder J Erhaltung und Entwertung von Energie. Frage: Kann Energie verloren gehen? Ein Pingpongball wird auf harten Boden fallen gelaen. Er pringt einige Zeit. Dabei verliert er ier ehr an Höhe und kot chließlich zu Stilltand. Wo it die Energie geblieben? Die Energie wurde durch Luftreibung und Verforung in Wäre ugewandelt. Sie it nicht verloren gegangen, ie wurde ugewandelt. Energieerhaltungatz: Energie kann nicht verloren gehen oder neu enttehen. Energie kann nur ugefort oder übertragen werden. Au Energie wird tet wieder Energie. Die vo Pingpongball abgezweigte Energie (Wäre = innere Energie) hat für den hüpfenden Ball keinen Wer ehr. Man pricht dehalb von Energieentwertung. Sie tritt bei allen Energieuetzungen auf. Die urprüngliche Energie geht dabei in weniger nutzbare Foren über. Ertellt von R. Brinkann hoha1_ :4 Seite 5 von 8

6 R. Brinkann Seite Obwohl der entwertete Teil nicht verloren it, pricht an i Alltag oft unkorrekt von Energieverlut oder Energieverbrauch. Die Bewegungenergie. Zuaentellung aller wichtigen Bewegungforeln. Die gleichförige Bewegung, Bewegung it gleichbleibender Gechwindigkeit Weg - Zeit - Geetz: = v t Gechwindigkeit - Zeit - Geetz: v = kon tan t Die gleichförig bechleunigte (verzögerte) Bewegung. Weg - Zeit - Geetz: a = t Gechwindigkeit - Zeit - Geetz: v = a t Der freie Fall. Weg - Zeit - Geetz: g h = t Gechwindigkeit - Zeit - Geetz: v = g t Endgechwindigkeit: v = gh g = Erdbechleunigung = 9,81 / Dynaiche Grundgeetz (Newtonche Kraftgeetz). Kraft = Mae Bechleunigung F = a Gewichtkraft: G = g G = Gewicht in N g = 9,81 / Anhalteweg = Reaktionweg + Breweg Breweg: = v 0 = v μ = Reibungzahl 0 μ a g v 0 = Anfanggechwindigkeit g = 9,81 / Ertellt von R. Brinkann hoha1_ :4 Seite 6 von 8

7 R. Brinkann Seite Die Arbeit: W = F W = Arbeit in N oder J F = Kraft in N = Weg in Die Höhenenergie: E = g h = Mae in kg g = 9,81 / h = Höhe in Die Bewegungenergie. Frage: Wie groß it die Energie eine Körper it einer betiten Gechwindigkeit? Vorüberlegung freier Fall. Welche Energie wird frei, wenn ein Körper au einer ganz betiten Höhe herabfällt? Nach de biher gelernten wien wir, da ein Körper, der angehoben wird die Höhenenergie W pot = g h erhält (pot. = potentielle oder Höhenenergie). Prallt der Körper auf de Boden auf, o hat er kurz vor de Aufprall die gleiche Energie wie auf eine höchten Lagepunkt, den Energie geht ja nicht verloren. Allerding it die Energie kurz vor de Aufprall eine Bewegungenergie. E gilt alo: Ekin = Wpot = g h Für den freien Fall gilt aber auch: v = g t bzw. t = v/g bzw. t = v /g und für h gilt: h = g t = g v = v g g Setzen wir in die Energieforel den Wert für h ein, o folgt: v Ekin = g h = g = v g In dieer Gleichung it die Fallbechleunigung nicht ehr enthalten, ondern neben der Mae nur noch die Gechwindigkeit. Darau entnehen wir, da die Gleichung nicht nur für den freien Fall gilt, ondern für alle Bewegungarten. Ein Körper it der Mae, der ich it der Gechwindigkeit v bewegt, hat die kinetiche Energie 1 Ekin = v Ertellt von R. Brinkann hoha1_ :4 Seite 7 von 8

8 R. Brinkann Seite Beipiel: Ein Auto it der Mae = 1000 kg fährt frontal auf einen Betonpfeiler. Welche Energie wird bei Aufprall frei, wenn da Auto eine Gechwindigkeit von 90 k/h hatte (90 k/h = 5 /)? 1 1 kin E = v = 1000kg 65 = 31500J = 31,5kJ Zu Vergleich: 1 kg Benzin hat einen Energiegehalt von etwa kj, da it etwa 00 al oviel. Die Energie bei Aufprall wird aber i Bruchteil einer Sekunde frei. Beipiel: Ein Meteorit (Steinkugel von 100 Durcheer) trifft it einer Gechwindigkeit von 30 k/ enkrecht auf die Erdatophäre. Welcher Energieuatz erfolgt dabei? Wie viel Hirochia Atoboben entprechen de Energieuatz ( 1 Bobe 0 kt = kwh )? 9 4 v 6 Daten: = 1,5 10 kg v = 3 10 E = 1kWh = 3,6 10 W 9 4 1, 5 10 kg kg 17 E = = 0,75 10 kg 9 10 = 6,75 10 = 6,75 10 W 17 6,75 10 W 11 9 Ugerechnet in kwh: = 1, kwh = 187,5 10 kwh (Energieuatz) 6 W 3,6 10 kwh ,5 10 kwh 3 6 Eine Bobe: 3, 10 kwh 8 10 = 8000 Boben 3, 10 kwh Beerkung: Die erte, 195 gezündete Waertoffbobe hatte den 700fachen Energieuatz einer Hirochia Bobe, dabei verchwand ein ganze Atoll. Leitung = Arbeit Zeit P = W t Wirkunggrad = Abgegebene Energie E W P η= = = zugeführte Energie E W P ab ab ab zu zu zu Ertellt von R. Brinkann hoha1_ :4 Seite 8 von 8