LÖSUNG ENERGIE. Energie_LP 1

Transkript

1 LÖSUNG ENERGIE Energie_LP 1

2 Einleitung Was ist Energie? Wie entsteht Energie? Wann brauche ich Energie? Verbrauche ich zu viel Energie? Was kümmert mich die Energiegewinnung! Energie und Umwelt! Was heisst das überhaupt Energie! Was bedeutet ENERGIE für dich?! Schreibe dazu ein paar Stichwörter auf! - Physikalische Grösse - Einheit Joule à Energie ist eigentlich die Fähigkeit Arbeit zu verrichten; gespeicherte Arbeit à Energie kann man nicht aus NICHTS gewinnen à Es ist unmöglich Energie zu vernichten à Jede Energieform lässt sich in eine andere umwandeln - Potentielle Energie = Lageenergie (Hubarbeit) Kinetische Energie = Bewegungsenergie Thermische Energie = Wärmeenergie Energie_LP 2

3 Energieformen Was ist Energie? Auf den nächsten paar Seiten wirst du ein paar Energie- Arten kennenlernen! Steine, die arbeiten! Die Frage, ob Steine Arbeit verrichten können, ist wohl merkwürdig. Betrachten wir aber das untenstehende Bild, bekommt diese Frage doch einen Sinn. Steine können - wenn auch unerwünschte - Arbeit verrichten. Aufgabe: Worin unterscheiden sich die hier abgebildeten Steine? Welche Steine könnten für das Haus gefährlich werden? Weshalb? Notiere deine Überlegungen. Körper, die hinunterstürzen, verrichten Arbeit. Die erhöhte Lage befähigt sie dazu. Diese Fähigkeit, Arbeit verrichten zu können, nennen wir Energie. Energie ist demnach gespeicherte Arbeit. Energie = gespeicherte Arbeit Ist der Stein (Körper) hinuntergestürzt, besitzt er keine gespeicherte Arbeit (Energie) mehr. Wie könntest du einem Körper wieder Energie zurückgeben (speichern)? Energie von Körpern, welche auf ihre Lage (Höhe) zurückzuführen ist, heisst Lage-Energie Lageenergie wird auch Potentielle Energie genannt. Energie_LP 3

4 Bewegte Körper haben Energie Autos, die zusammenstossen, benutzen ihre Bewegung, um Bleche zu verformen. Ein bewegter Stein kann eine Fensterscheibe zertrümmern. Ein bewegter Hammer schlägt einen Nagel ein. Eine bewegte Axt spaltet Holz. Bewegte (beschleunigte) Gegenstände verrichten Arbeit. Sie besitzen jetzt Bewegungs-Energie Die Bewegungsenergie wird auch als Kinetische Energie bezeichnet. Aufgabe: Nenne einige Beispiele, wo Bewegungsenergie mit im Spiel ist. - fahrendes Auto - strömendes Wasser - strömende Luft Aufgabe: Betrachte untenstehendes Bild. Welche dir bereits bekannten Energieformen treten hier in den einzelnen Phasen (Anlauf, Aufstieg, Kulminationspunkt und Fall) auf? Energie_LP 4

5 Jetzt wird s spannend Ein gespannter Bogen kann einen Pfeil beschleunigen. Zusammengedrückte Luft kann in einem Luftgewehr eine Kugel beschleunigen. Des Lausbuben gespannte Steinschleuder beschleunigt einen Stein. Die gespannte Uhrfeder einer mechanischen Uhr treibt das Uhrwerk an. Eine gespannte Feder (oder zusammengepresste Luft) hebt beim Öffnen des Kofferraums automatisch den Deckel. Eine gespannte Feder lässt beim Kugelschreiber per Knopfdruck die Mine verschwinden. Einige Körper lassen sich verformen, möchten aber nach der Verformung wieder ihre ursprüngliche Form einnehmen. Solche Körper sind elastische Körper. Die Arbeit, welche verrichtet wird, um den elastischen Körper zu verformen, ist nun gespeichert. Der elastische Körper besitzt jetzt Energie. Bei der Rückkehr zur ursprünglichen Form wird die gespeicherte Arbeit (Energie) wieder freigesetzt. Energie, welche in elastischen Körpern auftritt, heisst: Elastische Energie Aufgabe: Betrachte das untenstehende Bild. Welche Arbeit wird in den einzelnen Phasen verrichtet? Welche dir bekannten Energieformen treten auf? Energie_LP 5

6 Heisse Szenen Ein entfachtes Streichholz erzeugt ganz schön viel Wärme. Holzstücke im Lagerfeuer spenden wohlige Wärme. Das Patronenpulver beschleunigt eine Gewehrkugel innert Sekundenbruchteilen auf horrende Geschwindigkeit. Eine grosse Kerze kann für Stunden Licht und Wärme spenden. Treibstoffe bringen gewaltige Massen (Flugzeuge, Fahrzeuge, Maschinen...) in Bewegung. Batterien treiben Motoren an. Wo liegt denn hier die verborgene Energie (gespeicherte Arbeit)? In einigen Stoffen muss folglich in irgend einer Form gespeicherte Arbeit vorliegen. Diese Energie kann durch chemische Vorgänge freigesetzt werden. Energie aus Stoffen, denen durch chemische Vorgänge die gespeicherte Arbeit entlockt werden kann, nennen wir: Chemische Energie Aufgabe: Die folgende Zusammenstellung zeigt einige chemische Energieträger auf.. Überlege dir auch, in welcher Form die freigesetzte Energie bemerkbar wird. Energieträger (Energiestoff) Kurzerklärung Form der Energieentfaltung Schwarzpulver Benzin Schiesspulver, Pulver für Gewehrpatronen und Sprengkörper Treibstoff (Brennstoff) Bewegung, Wärme, Licht Bewegung, Wärme Dynamit Sprengstoff Bewegung, Wärme Diesel Treibstoff (Brennstoff) Bewegung, Wärme Akkumulator Holz elektrische Batterie, Akku, wiederaufladbarer Speicher (galvanische Zellen) erneuerbare (regenerative) Energiequelle Speicherung elektrische E. à chemische Energie Wärme, Licht Energie_LP 6

7 Energieumwandlung Heute wird oft über verlorene Energien diskutiert. Kann denn Energie überhaupt verloren gehen? Nein! Energie, welche zum Arbeiten benutzt wird, ist im physikalischen Sinne nicht verbraucht, sondern umgewandelt worden. Richtigerweise müssten wir nicht von Energieverbrauch, sondern von Energieumwandlung sprechen. Dazu erklärende Beispiele: Ein Bogen, der gespannt wird, erhält durch deine Muskelarbeit Spannenergie. Diese Spannenergie geht beim Pfeilabschuss nicht einfach verloren. Aus der Spannenergie wird Bewegungsenergie. Mit dieser Bewegungsenergie wird höchstwahrscheinlich das Ziel verformt (Verformungsarbeit). Der in einem Motorfahrzeug "verbrauchte" Treibstoff wird in Bewegungsenergie und in Wärmeenergie umgesetzt. Die in einer Glühlampe "verbrauchte" Elektrische Energie wird zu Lichtenergie und zu Wärmeenergie. Aufgabe: Suche weitere Beispiele für Energieumwandlungen - Höhenenergie in Bewegungsenergie (Bsp. Ball) - Spannungsenergie in Bewegungsenergie (Bsp. Pfeil) Energie_LP 7

8 Rechnen mit Energien Newton, Joule, Arbeit, richtige Arbeit,. Sagen dir diese Wörter noch etwas?! KRÄFTE! Hier kannst du dein gespeichertes Wissen anwenden! Die Lösungen (mit Rechnungen) kannst du auf die nächste Seite schreiben! Da Energie gespeicherter Arbeit gleichkommt, werden für die Energie auch dieselben Masseinheiten wie für die Arbeit verwendet. Erinnerst du dich noch? Arbeit wird in die zwei Komponenten Kraft (Masseinheit Newton) und Weg (Masseinheit Meter) eingeteilt. Daraus ergibt sich auch für die Energie die Masseinheit Newtonmeter (Nm) oder Joule (J). Die Masseinheiten für gespeicherte Arbeit (Energie) sind Beispiele: Newtonmeter und Joule 1 Nm = 1 J Wenn wir eine Tafel Schokolade von 100 Gramm (1 N) auf 1 Meter Höhe anheben, so verrichten wir eine Arbeit (Kraft x Weg) von 1 N x 1 m = 1 Nm. Dabei hat die Schokolade jetzt eine Lageenergie von einem Newtonmeter (1 Nm). Wenn Hugo mit seinen 52 kg Körpergewicht auf einen 4 m hohen Baum klettert, so hat er eine Arbeit von 2080 Nm verrichtet. Hugo hat nun eine Lageenergie von 2080 Nm. Aufgaben: 1. Welche Lageenergie haben 15 Getreidesäcke (Gewicht eines Sackes 50 kg), welche im fünften Stock (15 m über dem Erdboden) eines Lagerhauses liegen? Kraft: 50kg à 5000g à 500N Weg: 15m 15m X 500m = 112`500 Nm (J) 2. In einem Stausee, der 1300 m über dem Turbinenhaus liegt, sind m 3 Wasser gelagert. Wie gross ist der Energievorrat? Merke: 1m 3 = 1000l = 1000kg Kraft: m 3 X 1000 = kg à g à N Weg: 1300m N X 1300m = Nm 3. Ein Wasserkraftwerk wandelt die Lageenergie des Wassers in elektrische Energie um. Woher erhielt dieses Wasser seine Lageenergie? - Durch das Hinaufpumpen Energie_LP 8

9 4. Ein Rabe möchte eine Nuss knacken. Zu diesem Zwecke fliegt er mit der Nuss auf eine Höhe von 35 m und lässt die Nuss (0,2 N) auf eine Strasse fallen. Welche Energieformen hat die Nuss? Wie gross sind die Energien? - Lageenergie Kraft: 0.2N (20g) Weg: 35m 0.2N X 35m = 7Nm (J) Energie_LP 9

10 Viele Wege führen zum Strom Frage/Aufgabe Lösung Welche primären Energien gibt es? 1. - Sonne 2. - Wind 3. - Wasserkraft 4. - Gezeiten (Ebbe & Flut) 5. Geothermie Uran 8. - Erdgas 9. - Erdöl Kohle 11. Welche Energien werden fossile Energien genannt? 1. - Erdgas / Erdöl 2. - Stein- & Braunkohle 3. - Torf Was versteht man unter regenerativen (erneuerbaren) Energieformen? stehen Menschen unerschöpflich zur Verfügung & erholen sich verhältnissmässsig rasch. (Fossile erholen sich auch aber die Zeit dafür ist für uns Menschen nicht vorstellbar) Nenne Beispiele nachwachsende Rohstoffe 2. - Wasserkraft 3. - Windenergie 4. - Erdwärme 5. - solare Strahlung 6. - Gezeiten Wieviel Energie steckt in 1kg Kohle 1kg Erdöl 1kg Uran ca. 7000kcal (= 0.290SKE) à Steinkohleeinheit ca kcal (=1.428SKE) ca. 2' SKE (=1.9 *10 11 kcal) Energiequellen sind: Erdgas, Erdöl, Vulkane, natürliche und künstliche heisse Quellen, Ebbe und Flut, Sonnenwärme, Kohle, Wind, Holz, Kernreaktoren, Nahrung, Sonnenlicht, Schieferöl, Blitz, Wasserkraft Energie_LP 10

11 Erneuerbare und nicht erneuerbare Energien Ergänze die folgende Tabelle: Energiequelle Fossile Brennstoffe Beispiele Kohle, Erdgas, Erdöl, Torf Kernenergie Radioaktive Atome Erdwärme-Energie Erdwärmepumpe Sonnenenergie Solarpannels Gezeitenenergie Ebbe & Flut Windenergie Windkraftwerke Biologische Energie Biogasanlagen, Bioethanol, Biodiesel, Pelletheizungen Unterscheide: Erneuerbare Energiequellen Wind, Wasser, Gezeiten, Sonne, Geothermie à erholen sich innert nützlicher Zeit Nicht erneuerbare Energiequellen Kohle, Gas, Erdöl, Torf à Keine Erholung der Ressourcen Welche Energiequellen nutzen wir in unserem Land? -> BKW Übersichtsblatt Schweiz Erneuerbare Energiequellen Nicht erneuerbare Energiequellen - Wasserkraft (Lauf- & Speicherkraftwerke), Sonnenenergie, Windenergie, Biogasanlage, Kernenergie, Erdgas (12%), Kohle, Erdöl Erdwärme Energie_LP 11

12 Welches sind die Schwächen und die Stärken der jeweiligen Energien?! Diskutiert zu zweit und schreibt jeweils zwei auf! (für erneuerbare und nicht erneuerbare Energien!) STAERKEN SCHWAECHEN ERNEUERBARE Energiequellen - erholen sich teuer in der Anschaffung o stehen Menschen unendlich die Ausbeute an Energie zur Verfügung ist teilweise abhängig von - bessere CO 2 Bilanz der Witterung (Sonne/Wind) kann zurzeit noch nicht ganzen Energiebedarf decken NICHT ERNEUERBARE Energiequellen einfach abbaubar Viel Energie mit relativ wenig Aufwand beuten damit die Erde aus sie können sich nicht erneuern bei der Verbrennung wird viel CO 2 freigesetzt Energie_LP 12