Titel: Physik in der Küche Themen: Temperaturmessungen, Effizienz Zeit: 90 Minuten Alter: 13-16 Differenzierung: Richtlinien, IKT Unterstützung etc.: Wenn möglich, verwende eine Wärmebildkamera die Bilder können mittels PC und Beamer gezeigt werden. Benötigtes Zubehör für diese Aktivität: Induktionsherd, Elektroherd, Wasserkocher, Wasser, Öl, Kochtöpfe, Messbecher aus Hartglas, Schutzausrüstung, Stoppuhr, Thermometer, Wärmebildkamera Benötigte Kenntnisse: Ph Temperatur, Energie Einheiten, M mathematische Ausdrücke Gesundheit und Sicherheit: Arbeiten mit heißen Gegenständen, Herden Lernergebnisse für diese Aktivität: Alle Die Schülerinnen und Schüler können die Daten auf dem Label erklären. Die Lernenden führen Prozentrechnungen durch Viele Die Lernenden können zahlreiche aufgeführte Probleme lösen. Sie führen Laborarbeit durch. Einige Die Lernenden vergleichen die Leistungsfähigkeit von verschiedenen Hitzequellen, zeichnen Graphen und Histogramme. 1
Beschreibung der Lehreinheit Motivation Ausstattung eines Haushalts im 21. Jahrhundert. Was wäre unsere Küche ohne Elektrizität? Hauptaktivität Die Lernenden arbeiten mit Energielabels; sie finden den Strompreis mit Hilfe des Internets heraus. Sie führen die Laborarbeit durch. Schlussaktivität Die Schülerinnen und Schüler diskutieren die Effizienz beim Erwärmen von Flüssigkeiten auf verschiedenen Arten von Herden und untersuchen die schrittweise Erwärmung von Flüssigkeiten mit Hilfe einer Wärmebildkamera. Motivation 2
1. Vergleiche die Küchen in Abbildung 1 und Abbildung 2! 2. Erstelle eine Liste der Geräte, die du in der Küche hast. Ermittle welche davon mit einem Energie-Label ausgestattet sind. Arbeitsauftrag 1: Was bedeuten die Details auf dem Energielabel eines Kühlschranks? Ein Gerät wird durch den Energieeffizienzindex klassifiziert. Dieser beschreibt den Energieverbrauch pro Liter des Geräts im Vergleich zu der nützlichen Leistung. Der Verbrauch wird unter idealen Einsatzbedingungen abgeleitet Umgebungstemperatur von 20 C und Befüllung von 70% der Nutzfläche des Kühlschranks. Derzeit werden nur Kühlschränke mit der Energieklasse A oder höher hergestellt. Das Energie-Label a) Kühlschrank mit Gefrierfach b) Kühlschrank Vergleiche die beiden Geräte! 3
Lerne mehr über Energie-Label auf https://en.wikipedia.org/wiki/european_union_energy_label Physik und Energieverbrauch Um die Qualität (Effizienz) von Geräten herauszufinden, sollten wir deren Effektivität bestimmen. Um zu funktionieren, benötigt ein Gerät mehr Stromversorgung, als für die Ausführung an sich, weil es den Effekt der Widerstandskraft bewältigen muss. Die Effizienz des Geräts wird bestimmt als das Verhältnis zwischen der zugelieferten Energie (dem Verbrauch) und der ausgeführten Leistung. 4
Effizienz ist immer kleiner als 1, gegeben als Anteil. Beispiel 1: Um 2 Liter Wasser von 10 C auf 100 C zu erwärmen, benötigen wir 600 000 J Energie. Wie lange wird es dauern, Wasser in einem Kessel mit 2000 Watt Verbrauch und 85% Effizienz zu kochen? Schreibe: Pp = 2000 W W = 600 000 J = 0.85 =? s t1 = 10 o C t2 = 100 o C Effizienz = nützliche Abgabeleistung/ gesamte Eingangsleistung Leistung P = W W...Arbeit (J),...Zeit (s) W P W P p Pp Input (W), Effizienz 600000 353 0,85 2000 = 353 s = 5.9 min (Informationen über die Wassertemperatur sind in diesem Beispiel überflüssig.) Laborarbeit 5
Benötigtes Zubehör für diese Aktivität: Induktionsherd, Elektroherd, Wasserkocher, Gaskocher, Wasser, Öl, Töpfe, Messbecher, Schutzausrüstung, Stoppuhr, Thermometer, Wärmebildkamera Arbeitsaufträge: 1. Vergleiche die Effizienz der Erwärmung einer bestimmten Menge an Wasser mit verschiedenen Arten von Herden. 2. Berechne in CZK (EUR) die Kosten für die Energie, die für die Erwärmung benötigt wird. Arbeitsverlauf: Arbeitsauftrag 1 Vergleiche die Effizienz der Erwärmung einer bestimmten Menge an Wasser mit verschiedenen Arten von Herden. Die ausgewählte Menge an Wasser für die Erwärmung ist 0.5 Liter = 500 ml a) Erhitze langsam 500 ml Wasser in einem gewöhnlichen Topf mit einem Deckel und in demselben Topf ohne Deckel auf einem Gasofen. b) Erwärme in demselben Topf 500 ml Wasser auf einem Elektroherd mit und ohne Deckel. c) Vergleiche die Zeit bis zum Kochen mit oder ohne einen Deckel auf der gleichen Wärmequelle. d) Berechne die verbrauchte Energie für jeden der Fälle. e) Berechne die Energieersparnis bei der Verwendung eines Deckels in Prozent. f) Berechne die nötigen Energiekosten in CZK (EUR). Daten, die auf dem Arbeitsblatt angegeben werden müssen: Wassermasse - m (kg) Wassertemperatur zu Beginn - t0 ( o C) Wassertemperatur am Ende - t ( o C) Spezifische Wärmekapazität von Wasser - c = 4180 J kg K -1 Berechnung der benötigten Wärme, um das Wasser zu erwärmen - Q (J) Q = mc (t - t0) (Formel, Ergebnis) Leistung der Herde - P0 (Nennwert, der auf dem Gerät angegeben wird) (W) Dauer für die Erwärmung - (s) 6
Berechnung der gesamten Energie, die während des Erwärmungsvorgangs verbraucht wurde - W = P0 (J) (Formel, Ergebnis) Berechnung der Effizienz des Herdes - (%) = (Q / W) 100% Zusatzaufgabe: Miss den Temperaturanstieg in festgelegten Zeitintervallen (z. B. nach 30 Sekunden). Trage die gemessenen Werte in eine Tabelle ein und zeichne einen Graphen für den Anstieg der Wassertemperatur im Laufe der Zeit. Zeit (s) 0 30 60 90 120 150 180 Wassertemperatur ( o C) Graph (verwende Excel) Beispiele für gemessene Werte: Berechnung der Effizienz von Elektroherden Wassermasse - m 0.55 kg Anfangstemperatur des Wassers to 25 C Endtemperatur des Wassers - t 90 C Spezifische Wärmekapazität von Wasser - c 4180 J kg K -1 Berechnung der benötigten Wärme, um das Wasser zu erwärmen - Q (Formel, Ergebnis) Leistung von Induktionsherden Po Erwärmungszeit - 128 s Q = mc (t - t0) 149435 J 2200 W 7
Berechnung der gesamten Energie, die während der Erwärmung verbraucht wird E 281600 J (Formel, Ergebnis) W = P0 Berechnung der Effizienz des Herdes - (Formel, Ergebnis) = (Q / W) 100% 53% Arbeitsauftrag 2: Berechne in CZK die Kosten für die Energie, die für die Erwärmung benötigt wird Arbeitsverlauf: Finde den Einheitspreis von Gas und Strom im Internet. Zum Beispiel: Gas Preis pro Einheit 11.00 CZK / m 3 Strom Preis pro Einheit 3.50 CZK / kwh Das Ergebnis von Arbeitsauftrag 2 soll in einer Tabelle zusammengefasst werden. Vergleiche den Preis für Energie. Arbeitsauftrag 3 Arbeite eine zusammenfassende Tabelle heraus Gas Topf mit (ohne) Deckel: Erwärmungsdauer Benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen Kosten für die benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen Energieersparnis bis zu diesem Punkt mit Deckel Energieersparnis bis zu diesem Punkt mit Deckel prozentueller Anteil Strom Topf mit (ohne) Deckel: Erwärmungsdauer 8
Benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen Kosten für die benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen Energieersparnis bis zu diesem Punkt mit Deckel Energieersparnis bis zu diesem Punkt mit Deckel prozentueller Anteil Induktionsherd Topf mit (ohne) Deckel: Erwärmungsdauer Benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen Kosten für die benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen Ersparnis bis zu diesem Punkt mit Deckel Ersparnis bis zu diesem Punkt mit Deckel Prozent Beispiel mit Daten ergänzte Tabelle Gas numerischer Wert der Einheit Topf mit Deckel: Erwärmungszeit 245 s Benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen 0.012 m 3 Kosten für Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen 0.13 CZK Topf ohne Deckel: Erwärmungszeit 285 s Benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen 0.014 m 3 Kosten für Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen 0.15 CZK 9
Ersparnis bis zu dem Punkt mit Deckel 0.02 CZK Ersparnis bis zu diesem Punkt mit Deckel Prozent 16.7% Strom Topf mit Deckel: Erwärmungszeit Benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen Kosten für Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen 360 s 0.19 kwh 0.67 CZK Topf ohne Deckel: Erwärmungszeit Benötigte Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen Kosten für Energie, um Wasser bis zum Siedepunkt zu erwärmen 375 s 0.21 kwh 0.74 CZK Ersparnis bis zu dem Punkt mit Deckel 0.07 CZK Ersparnis bis zu diesem Punkt mit Deckel Prozent 10.5% Vergleich der Effizienz von verschiedenen Arten von Herden: Die folgende Tabelle zeigt die Effizienz von verschiedenen Herden, die verwendet wurden, um 1.9 Liter Wasser von einer Temperatur von 20 bis zum Siedepunkt zu erwärmen. Methode Benötigte Zeit für die Erwärmung Energie Effizienz Induktionsherd 4 Minuten 46 Sekunden 745 kj 83 bis 90 % Elektroherd 9 Minuten 0 Sekunden 1120 kj 45 % Gas 6 Minuten 2 Sekunden 1220 kj 55 % 10
Anmerkung: In der Tabelle wird nur die Effizienz des Herdes selbst berücksichtigt. The Effizienz des Übertragungs- und Verteilungssystems von Gas und Strom wurde außer Acht gelassen (www.nazeleno.cz). Diskussion: 1. Beschreibe die Vor- und Nachteile jedes Herdes, der im Rahmen der Laborarbeit verwendet worden ist. 2. Versuche möglichst viele Fälle zu entwerfen, in denen du die Daten aus der Tabelle verwenden kannst. 3. Konstruiere geeignete Graphen (Histogramme), von denen klar ablesbar ist, welche Typen von Herden für die Verwendung im Haushalt aufgrund ihrer Effizienz empfohlen werden können. 4. Bereite ein Poster oder eine Powerpoint-Präsentation mit den Messergebnissen vor. Zusatzaktivität Untersuche den Erwärmungsprozess von Wasser auf einem Elektroherd und auf einem Induktionsherd. Was beobachtest du? Welche Schlussfolgerung kannst du ziehen? Bei der Beantwortung der Fragen kannst du die nachfolgenden Bilder betrachten. Das Bild a) zeigt die Erwärmung eines Topfes mit Wasser auf einem Induktionsherd, das Bild b) auf einem Elektroherd. 11
Untersuche den Prozess der Erwärmung von Öl unter denselben Bedingungen. Diskutiere deine Beobachtungen. 12
Arbeitsblatt Elektroherd Topf mit Deckel Topf ohne Deckel Wassermasse - m (kg) Anfangstemperatur des Wassers - t0 ( o C) Endtemperatur des Wassers - t ( o C) Benötigte Wärme für die Erwärmung des Wassers - Q (J) Leistung der Herde - P0 (angegebener Nennwert auf dem Gerät) (W) Erwärmungszeit - (s) Berechnung des Gesamtverbrauchs an Energie während der Erwärmung - W = P0 (J) Berechnung der Effizienz des Herdes - (%) Spezifische Wärmekapazität von Wasser - c = 4180 J kg K -1 Berechnung der benötigten Wärme um das Wasser zu erwärmen - Q (J) Q = mc (t - t0) 13
Berechnung des Gesamtverbrauchs an Energie während der Erwärmung - W = P0 (J) Berechnung der Effizienz des Herdes - (%) = (Q / W) 100% Gasherd Topf mit Deckel Topf ohne Deckel Wassermasse - m (kg) Anfangstemperatur des Wassers - t0 ( o C) Endtemperatur des Wassers - t ( o C) Benötigte Wärme für die Erwärmung des Wassers - Q (J) Leistung der Herde - P0 (angegebener Nennwert auf dem Gerät) (W) Erwärmungszeit - (s) Berechnung des Gesamtverbrauchs an Energie während der Erwärmung - W = P0 (J) Berechnung der Effizienz des Herdes - (%) Induktionsherd Topf mit Deckel Topf ohne Deckel Wassermasse - m (kg) Anfangstemperatur des Wassers - t0 ( o C) Endtemperatur des Wassers - t ( o C) Benötigte Wärme für die Erwärmung des Wassers - Q (J) Leistung der Herde - P0 (angegebener Nennwert auf dem Gerät) (W) Erwärmungszeit - (s) 14
Berechnung des Gesamtverbrauchs an Energie während der Erwärmung - W = P0 (J) Berechnung der Effizienz des Herdes - (%) 15