Energieerhaltung und Wirkungsgrad: Wärmekraftmaschinen

Experimentieranleitung:Die Funktionsweise eines realen Stirlingmotors soll untersucht werden.Der Stirlingmotor ist fr den Schulunterricht das ideale Modell einer Wrmekraftmaschine: Er arbeitet mit einem geschlossenen Arbeitsmittelkreislauf, der Kreisprozess ist also gut nachvollziehbar. Er luft relativ langsam und ist von auen beobachtbar. Dies gilt insbesondere fr Modelle, die mit Arbeitskolben und Zylinder aus Glas Einblick ins Innenleben gewhren. Durch Beobachtung sollen die Schler anhand der in der Anleitung gegebenen Beschreibung die Funktion und Arbeitsschritte des Stirlingmotors verifizieren. Hinweise und Ideen: Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise in der zugehrigen Handreichung So funktioniert der Stirlingmotor (Lehrerinfo), die auf dem Medienportal der Siemens Stiftung vorhanden ist, sowie die fr Ihre Schule geltenden Sicherheitsrichtlinien und besprechen Sie diese mit den Schlerinnen und Schlern. Die Antworten auf die in der Experimentieranleitung enthaltenen Fragen zu den physikalischen Hintergrnden 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)

Handreichung:Didaktisch-methodische Hinweise fr die Lehrkraft zum Experiment der gleichnamigen Experimentieranleitung.Diese Handreichung liefert alle Informationen, die die Lehrkraft zur Vorbereitung und Durchfhrung des Experiments bentigt. Es werden alle Materialien aufgelistet. Zustzlich gibt es Tipps zur Durchfhrung und Sicherheitshinweise.Hinweise und Ideen: Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise in der Anleitung sowie die fr Ihre Schule geltenden Sicherheitsrichtlinien.Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Lsungsblatt:Zur gleichnamigen ExperimentieranleitungHinweise und Ideen:Nhere Informationen finden Sie im zugehrigen Experimentieranleitung So funktioniert der Stirlingmotor, das auf dem Medienportal der Siemens Stiftung vorhanden ist.Das Lsungsblatt enthlt z. T. sehr kurze, oft nur stichwortartige Antworten. Je nach Lernziel mssen sie noch durch zustzliche Erarbeitung aus Lehrbchern und ggf. Recherchen im Internet ergnzt und vertieft werden!Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

bersichtsgrafik:Energie und Arbeit sind, wie man im Bild sieht, nicht dasselbe, obwohl sie mit dem Joule dieselbe Maeinheit besitzen.Die Einheit von Arbeit und Energie ist das Joule (1J=1Nm). Die drei Bilder in der Grafik zeigen, dass diese beiden Gren physikalisch nicht dasselbe sind. Die Energie ist eine Zustandsgre, die das Ma an Arbeitsvorrat eines Systems ist (linkes Bild). Wenn das Wasser vom oberen in das untere Becken luft, wandelt sich seine Lage- in Bewegungsenergie um. Diese Energie befhigt das Wasser, Arbeit zu leisten, z.B. an einem Wasserrad (mittleres Bild). Die Arbeit ist also eine Prozessgre. Im rechten Bild wird der umgekehrte Prozess gezeigt: Durch Leisten von Hubarbeit wird dem Wasser Energie zugefhrt.Hinweise und Ideen:In der Umgangssprache werden die Begriffe Arbeit und Energie oft synonym verwendet. In den Naturwissenschaften ist aber eine konsequente Einhaltung der physikalischen Begriffe erforderlich.Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2018 (CC BY-SA 4.0 international)

Schemagrafik:Ein thermisches Kraftwerk stellt Nutzenergie (elektrische Energie) aus der Umwandlung thermischer Energie bereit. Die einzelnen Umwandlungsstufen sind hier schematisch dargestellt.Thermische Kraftwerke verwenden unterschiedliche Primrenergietrger, um die in ihnen gespeicherte Energie in Wrme und schlielich in elektrische Energie umzuwandeln und sie somit fr den Menschen nutzbar zu machen. Die Wrme wird durch Verbrennung fossiler Energietrger oder Biomasse, durch Erdwrme, Sonnenwrme oder Kernspaltung erzeugt. Die Wrme wird auf ein Arbeitsmittel (Dampf, Verbrennungsgas) bertragen, das eine Turbine antreibt. Diese wandelt die thermische Energie des Arbeitsmittels in Rotationsenergie um und treibt ber eine gemeinsame Welle einen Generator an. Dieser wandelt die Rotationsenergie der Welle in elektrische Energie um. Die bei der Energieumwandlung ungenutzte Wrme wird abgeleitet (Khler) oder zu Heizzwecken genutzt (Fernwrme). Die unterschiedlichen Pfeilstrken vor und nach der Turbine verdeutlichen, dass Wrme nicht zu 100% in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann.Hinweise und Ideen:Die Bezeichnung thermisches Kraftwerk leitet sich von der Energieform (thermische Energie) ab, die zur Umwandlung in Nutzenergie genutzt wird. Die Schlerinnen und Schler lernen, dass auch ein Kernkraftwerk ein thermisches Kraftwerk ist. Warum werden in groen thermischen Kraftwerken keine Verbrennungsmotoren als Energiewandler eingesetzt, in Blockheizkraftwerken hingegen schon? Wie unterscheiden sich die Wirkungsgrade von thermischen Kraftwerken mit Dampf- bzw. Gasturbinen?Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2018 (CC BY-SA 4.0 international)