Energie - naturwissenschaftliche Grundlagen

Foto:Blitzschlag zwischen Erde und Wolke ein schnes Beispiel fr elektrische Energie in der Natur.Aufsteigende Luftstrme erzeugen aus mechanischer Energie durch Reibung Elektrizitt in Form elektrisch aufgeladener Wolken bis zu einer Ladung von ca. 20As (Amperesekunde). Wenn der Spannungsunterschied zwischen der Gewitterwolke und der Erde ber 100Mio.V betrgt, kommt es zu einer gewaltigen Entladung als Lichtbogen. Da die Entladung in Bruchteilen einer Sekunde erfolgt, knnen hohe Stromstrken bis 100.000A auftreten. Bei einer Entladungszeit von z.B. 0,4ms, betrgt die Stromstrke 50.000A. Bei dieser Stromstrke liegt die Leistung eines Blitzes bei 5Terawatt (TW). 1TW entspricht einer Billion Watt. Dabei wird eine Energie von 560kWh freigesetzt.Hinweise und Ideen: Zur Vertiefung knnte die Physik der Gasentladung angesprochen werden. Interessant ist es auch, den Energieinhalt eines Blitzes zu berechnen und mit dem Heizwert von Benzin zu vergleichen. Welcher Benzinmenge entspricht die Energie eines Blitzes? Ein weiteres Beispiel fr das Vorkommen elektrischer Energie in der Natur sind Zitteraale, sie produzieren die elektrische Energie aus einer biochemischen Reaktion.Fcher: Sachkunde, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2016 (CC BY-SA 4.0 international)

Diagramm: Chemische Energie als Bindungsenergie zwischen Atomen in der Darstellung als Potenzialkurve.Sowohl in der Bindung von Atomen und Moleklen als auch in der Mglichkeit (Potenzial) zur chemischen Bindung steckt chemische Energie. Diese kann bei der Bildung oder beim Zerfall der Bindungen in Form von Wrme frei werden. Diese Reaktionswrme wird auch als Reaktionsenthalpie (H) bezeichnet. Wird Wrme frei (dH < 0), so spricht man von einer exothermen Reaktion, wird Wrme verbraucht (dH > 0) von einer endothermen. Jedes Gemisch von Ausgangsstoffen, das zu Endstoffen reagieren kann, ist also als ein Potenzial an chemischer Energie aufzufassen. Mikroskopisch steckt diese chemische Energie in den Bindungen zwischen einzelnen Atomen, wie es anhand der Potenzialkurve illustriert wird. Hinweise und Ideen:Chemische Energie ist eine Energieform, die sich gut speichern lsst sei es im menschlichen Krper oder in Batterien und Akkus. Ein weiteres Beispiel ist Wasserstoff als chemischer Energiespeicher fr regenerative Energien.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Schemagrafik:bersicht ber die Umwandlungspfade von verschiedenen Energiequellen hin zu elektrischem Strom.Um die in nuklearen, regenerativen und fossilen Energietrgern enthaltenen Energieformen fr den Menschen nutzbar zu machen, mssen sie in eine andere Energieform umgewandelt werden, z.B. in elektrische Energie (Strom). Von den hier gezeigten Energietrgern ist bei Kernenergie, nachwachsenden und fossilen Brennstoffen sowie Geo- und Solarthermie eine direkte Umwandlung in elektrische Energie nicht mglich. Daher mssen mehrere Umwandlungsschritte hintereinandergeschaltet werden. Die beiden letzten Schritte sind die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie in der Turbine und die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie im Generator.Wasser- und Windkraft knnen direkt einen Generator antreiben und Photovoltaik erzeugt direkt elektrische Energie. Hinweise und Ideen:Sehr gut geeignet, um das Gesetz von der Erhaltung der Energie zu erlutern. Dass Energie nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden kann, ist den Schlern nicht selbstverstndlich.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbH unter Verwendung von Medien von: Von I\\, Dergenaue\\, CC BY-SA 3.0\\, (Generator\\; Lizenz: CC BY-SA 3.0)\\, Von de:User:Igelball - first upload: July 27\\, 2003 - de:Wikipedia\\, CC BY-SA 3.0\\, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=70192 (Gastank\\; Lizenz: CC BY-SA 3.0)Lizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

bersichtsgrafik:Zwei Erscheinungsformen magnetischer Energie werden gegenbergestellt: die magnetische Energie einer stromdurchflossenen Spule und die eines Elementarmagneten.Magnetische Energie ist die Energie, die in einer stromdurchflossenen Spule in Form ihres Magnetfelds gespeichert ist. Sie resultiert aus der Arbeit, die der Strom gegen die induzierte Spannung (Faradaysches Induktionsgesetz) verrichten muss. Umgekehrt wird diese magnetische Energie wieder als Strom frei, wenn das Magnetfeld abgebaut wird. Auch in einem magnetisierten Stoff ist magnetische Energie gespeichert: Sie entspricht der Arbeit, die aufzuwenden ist, um die magnetische Dipole dieses Stoffs in einem ueren magnetischen Feld auszurichten. In ferromagnetischen Materialien richten sich die magnetischen Dipole in kleinen Bereichen (Weische Bezirke) auch ohne ueres Magnetfeld aneinander aus. Richtet man nun die Wei'schen Bezirke durch ein ueres Magnetfeld aus, erhlt man einen Permanentmagneten. brigens: Erhitzt man einen Permanentmagneten, so verliert er oberhalb einer kritischen Temperatur seine Magnetisierung. Die magnetische Energie wird bei dieser sog. Curie-Temperatur als zustzliche Wrme frei.Hinweise und Ideen:Ein einfaches Experiment zur Magnetisierung: Ein Permanentmagnet magnetisiert durch Darberstreichen einen Eisennagel. Welche Arbeit muss auer der Reibungsarbeit dabei aufgewendet werden? Wird dabei der Permanentmagnet bzw. dessen magnetische Energie verbraucht?Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Diagramm:Formeln fr die Strahlungsenergie elektromagnetischer Wellen und das Planck'sche Strahlungsgesetz.Strahlungsenergie ist die Energie elektromagnetischer Wellen. Sie ist proportional zum Quadrat der Amplitude der elektrischen bzw. der magnetischen Feldstrke. Elektromagnetische Wellen hoher Frequenz und damit Energie haben Teilchencharakter. Die Energie dieser Teilchen ist proportional zur Frequenz bzw. umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlnge. Der Proportionalittsfaktor ist das Plancksche Wirkungsquantum h. Dass Strahlungsenergie quantisiert sein muss, fand Max Planck bei der Untersuchung der Strahlung schwarzer Krper. Er formulierte ein Strahlungsgesetz, das aber erst durch Einsteins Postulat von den Lichtquanten erklrt werden konnte. Zahlenbeispiel fr die Plancksche Strahlungsformel:Die Sonne hat eine Oberflchentemperatur von 5.800K, die damit verbundene Strahlungsleistung ist nach der Planckschen Strahlungsformel 3,85x1023kW. Davon trifft nur ein sehr kleiner Anteil auf die Erde (bei senkrechtem Strahlungseinfall 1,37kW/m).Hinweise und Ideen:Strahlungsenergie kann vielfach in andere Energieformen umgewandelt werden: Beim Rntgen wird die Strahlungsenergie in chemische Energie verwandelt (Schwrzung des Fotofilms), Licht wird in der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt, ebenso Funkwellen in einer Antenne. Die Energie von Mikrowellen kann man zur Erwrmung von Speisen verwenden.Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Diagramm:Formeln fr die thermische Energie von Gasen sowie die Temperaturabhngigkeit der zugehrigen molaren Wrmekapazitt bei konstantem Volumen.Die thermische oder innere Energie eines Stoffs ist die Summe der Bewegungsenergien seiner Atome bzw. Molekle. Diese Energie ist als Temperatur messbar. Fhrt man dem Stoff Wrme zu, steigt die Teilchengeschwindigkeit und damit die Temperatur. Bei molekularen Gasen kann die Wrmezufuhr zustzlich zur translatorischen Bewegung die Anregung anderer Bewegungsformen (Rotation und Schwingung) hervorrufen. Dies drckt sich im stufenfrmigen Verlauf der molaren Wrmekapazitt aus (Diagramm rechts). Die molare Wrmekapazitt eines Stoffs gibt an, wie viel Energie man zufhren muss, um 1 mol eines Stoffs um 1C zu erhhen. Fr gasfrmige Stoffe gilt: Falls die Gasteilchen sich nur linear bewegen (Translation), ist die Wrmemenge, die zugefhrt werden muss, um das Gas um 1C zu erhhen, konstant 3R/2. Im Fall molekularer Gase fangen die Molekle ab einer bestimmten Temperatur an zu rotieren. In diesem Bereich (linearer Anstieg im Diagramm) muss man mehr Energie zufhren, um die Temperatur um 1C zu erhhen, da die Energie nicht nur in die translatorische Bewegung geht, sondern auch in die Anregung der Rotation. Sind alle Teilchen in Rotation versetzt, so ist die Energie, die zugefhrt werden muss, um die Temperatur um 1C zu erhhen, wieder konstant 5R/2. Der Anstieg beim bergang von Rotation nach Schwingung lsst sich analog erklren. Hinweise und Ideen:Die bersichtsgrafik fasst das Thema Wrmeenergie am Beispiel Gase zusammen. Ausfhrliche Erluterungen und Erluterungen zur Wrme in Feststoffen findet man im Leitfaden Was ist Energie?.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Aufgabenblatt:Fragen und Rechenaufgaben zum Wirkungsgrad.In Naturwissenschaft und Technik ist der Wirkungsgrad eines Prozesses oder einer Maschine von herausragender Bedeutung. Deshalb ist es unerlsslich, den Wirkungsgrad zu verstehen und ihn berechnen zu knnen.Hinweise und Ideen:Gut geeignet zur Vertiefung des Themas Wirkungsgrad und zum ben einfacher physikalischer Berechnungen.Die Schlerinnen und Schler knnen zustzlich noch Wirkungsgrade von Wrmekraftmaschinen, Kraftwerken usw. recherchieren und in Form einer Wertetabelle zusammenstellen.Die Lsungen zu den Aufgaben findet man im gleichnamigen Lsungsblatt auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Lsungsblatt: Zum gleichnamigen ArbeitsblattHinweise und Ideen:Nhere Informationen finden Sie im zugehrigen Arbeitsblatt Aufgaben zum Wirkungsgrad, das auf dem Medienportal der Siemens Stiftung vorhanden ist.Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Sachinformation:Die Bedeutung der Begriffe Wrme, Enthalpie und Entropie sowie die zugehrigen Formeln im berblick.In der Physik, Thermodynamik und der Chemie sind neben der Energie die Gren Wrme, Enthalpie und Entropie von zentraler Bedeutung, wenn es darum geht, das Verhalten von Prozessen vorherzusagen. Hinweise und Ideen:berblicksinformation fr die Schlerinnen und Schler.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Webressource:Dieses Lexikon erklrt alle wichtigen Begriffe zum Thema Energie von A wie Abbau Steinkohle bis Z wie Zwischenlagerung Brennelemente.Umfassendes Nachschlagewerk zum Thema Energie.Hinweise und Ideen:Als Recherchequelle fr Referate oder Projekte einsetzbar.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungUrheber: Dieser Link ist ein Verweis auf fremde Inhalte und impliziert keinerlei Ansprche auf oder Aussagen ber die Rechte an diesen Inhalten.Copyright: (Nur verfgbar fr registrierte Nutzer und zur nicht-kommerziellen Nutzung im schulischen Umfeld und zu Ausbildungszwecken.)