01 Energieumwandlung - Telekolleg Technologie

Summary

Dieses Video script erklärt die verschiedenen Formen der Energie und ihre Umwandlungen. Es deckt Themen wie Sonnenenergie, Wasserkraft, mechanische Arbeit und die physikalischen Prinzipien von Energieumwandlungen ab. Es zeigt, wie Pflanzen Energie speichern und wie Wasserkraftwerke die Energie von Wasser in elektrische Energie umwandeln. Darüber hinaus werden die Begriffe Arbeit, Leistung und der Energieerhaltungssatz erläutert, um ein grundlegendes Verständnis der Energiephysik zu vermitteln.

Takeaways

• 🌿 Pflanzen speichern Energie durch den Prozess der Photosynthese mithilfe von Blattgrün (Chlorophyll).
• 🐇 Menschen und Tiere ernähren sich von Pflanzen und erhalten so indirekt Energie von der Sonne.
• 🔥 Die Sonneneinstrahlung führt nicht nur zu Licht, sondern auch zur Wärmeerzeugung, die für das Klima der Erde wichtig ist.
• 💧 Wasserkraft nutzt die Bewegung von Wasser, das durch die Sonnenwärme im Wasserkreislauf in Bewegung versetzt wird.
• ⚙️ Mechanische Energie kann in verschiedene Formen umgewandelt werden, wie im Beispiel von Wasserrädern und Sägen dargestellt.
• 🌱 Die Produktion von Nahrung und anderen Stoffen durch Pflanzen ist ein weiterer Aspekt der Energieumwandlung.
• 🔋 Batterien speichern chemische Energie und können diese in elektrische Energie umwandeln, wie bei Weckern gezeigt.
• 🔗 Die physikalische Arbeit und Energie sind miteinander verbunden, wie durch das Beispiel der Hubarbeit und der mechanischen Vorrichtungen erklärt.
• 💡 Die Umwandlung von elektrischer Energie in andere Formen, wie Licht oder Wärme, wird durch verschiedene Geräte und Prozesse dargestellt.
• ♻️ Die Energieerhaltung bedeutet, dass Energie nicht geschaffen oder zerstört wird, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt wird.
• 🚗 Die Nutzung von Primärenergieträgern und die damit verbundenen Verluste bei der Umwandlung in Nutzenergie werden am Beispiel von Autos und Kraftwerken diskutiert.

Q & A

Wie speichern Pflanzen Energie aus Sonnenlicht?

Pflanzen speichern Energie aus Sonnenlicht mit Hilfe von Blattgrün, indem sie chemische Verbindungen bilden.

Was ist die wichtigste Energiequelle der Erde?

Die wichtigste Energiequelle der Erde ist die Sonnenenergie.

Wie wird mechanische Arbeit durch Wasserkraft erzeugt?

Mit Hilfe von Wasserrädern, die durch Wasserkraft angetrieben werden, kann mechanische Arbeit erzeugt werden, eine Technik, die auch als eine der ältesten bekannt ist.

Wie wird elektrische Energie in einem Wasserkraftwerk erzeugt?

In einem Wasserkraftwerk wird elektrische Energie erzeugt, indem die Bewegungsenergie des Wassers in Rotationsenergie einer Turbine umgewandelt wird und dann in einem Generator in elektrische Energie umgesetzt wird.

Was ist die Beziehung zwischen dem natürlichen Wasserkreislauf und der Energie von Wasserkraftwerken?

Der natürliche Wasserkreislauf sorgt dafür, dass Wasser in Bächen und Flüssen zurück zum Meer strömt, was die Wasserkraft immer wieder für den menschlichen Gebrauch verfügbar macht.

Wie wird die mechanische Energie von Holzbalken in Wärme umgewandelt?

Beim Sägen der Holzbalken wird die mechanische Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt.

Was ist der Unterschied zwischen Arbeit und Energie in der Physik?

In der Physik wird Arbeit definiert als eine Arbeitsfähigkeit und hat die gleiche Einheit wie Energie, nämlich Joule. Arbeit ist ein Prozess, während Energie ein Zustand ist.

Wie wird die Hubarbeit in der Physik definiert?

Die Hubarbeit in der Physik wird definiert als das Produkt aus Gewichtskraft und der Höhe, in die ein Objekt gehoben wird, also W_Hub = G * h.

Was ist der Wirkungsgrad und wie wird er berechnet?

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von nutzbarer Energie zur zugeführten Energie und wird berechnet als η = E_nutz / E_zugeführt.

Warum sind Energieumwandlungen, die Wärme beinhalten, irreversibel?

Energieumwandlungen, die Wärme beinhalten, sind irreversibel, weil der zweite Hauptsatz der Wärmelehre besagt, dass Wärme nicht vollständig in mechanische Energie umgewandelt werden kann, ohne dass ein Teil der Wärme wieder abgegeben wird.

Wie wird die innere Energie in der Physik definiert?

Die innere Energie in der Physik ist die Gesamtenergie eines Systems, einschließlich der Energie, die durch die Bewegung und Wechselwirkung seiner Teilchen entsteht.

Outlines

00:00

🌿 Energieerzeugung und -umwandlung in der Natur

Dieser Absatz beschreibt die Rolle von Pflanzen bei der Speicherung von Sonnenenergie durch das Chlorophyll und die Umwandlung dieser Energie in Nahrung für Tiere und Menschen. Es wird auch auf die historische Verwendung von Wasserkraft durch Wasserräder eingegangen, die mechanische Arbeit verrichten, und wie diese Arbeit in Gebäuden durch Getriebe und Pleuelstangen in Bewegung umgewandelt wird. Der Absatz erklärt, wie die Sonnenenergie in Wärme umgewandelt wird, die für den Wasserkreislauf und die Energieerzeugung in Wasserkraftwerken notwendig ist. Schließlich wird die Verbindung zwischen den Energieformen und der Bedeutung der Sonnenenergie für die Erhaltung des Lebens auf der Erde hervorhegt.

05:00

⚙️ Grundlagen der physikalischen Arbeit und Energie

In diesem Absatz werden die Begriffe 'Arbeit' und 'Energie' in der Physik definiert und miteinander in Beziehung gesetzt. Es wird erklärt, wie Arbeit durch die Formel W = F * s gemessen wird, wobei F die Kraft und s der Weg ist. Der Absatz führt auch das Konzept der Hubarbeit ein, die durch die Formel W_Hub = G * h berechnet wird, und zeigt, wie die Arbeit zur Veränderung des Energiezustandes von Objekten führt. Es wird auch auf die physikalische Gesetzmäßigkeit eingegangen, dass Arbeit nicht geschaffen oder zerstört werden kann, sondern nur in Form von Kraft verstärkt oder verringert werden kann.

10:01

🔋 Energiespeicher und Umwandlung in der Technik

Dieser Absatz behandelt die Speicherung und Umwandlung von Energie in technischen Anwendungen. Es wird auf die physikalischen Prinzipien eingegangen, die bei der Speicherung von Energie in Batterien und der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie in Weckern und anderen Geräten zum Tragen kommen. Der Absatz erklärt, wie Energie in verschiedenen Formen, wie chemischer Energie in Batterien oder mechanischer Energie in Spiralfedern, gespeichert und für verschiedene Zwecke verwendet wird.

15:02

🏞️ Regenerative Energiequellen und ihre Nutzung

In diesem Absatz werden regenerative Energiequellen wie Wasserkraft und ihre Vorteile diskutiert. Es wird betont, dass diese Energieformen dauerhaft verfügbar sind und wie sie in Kraftwerken zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Der Absatz gibt auch einen Einblick in die physikalischen Prinzipien hinter der Umwandlung von Wasser- in elektrische Energie und wie diese Prozesse in der Praxis umgesetzt werden.

20:04

💡 Effizienz und Wirkungsgrade in der Energieumwandlung

Dieser Absatz behandelt die Effizienz von Energieumwandlungen und den Begriff des Wirkungsgrades. Es wird erläutert, wie der Wirkungsgrad die Verhältnis von nutzbarer Energie zur zugeführten Energie misst und wie dieser im Vergleich zwischen verschiedenen Arten von Lampen, wie Glühbirnen und Energiesparlampen, variiert. Der Absatz betont die Bedeutung des Wirkungsgrades für die Energieeffizienz und die damit verbundenen wirtschaftlichen und ökologischen Aspekte.

25:05

🌡️ Wärme als Energieform und ihre Umwandlung

In diesem Absatz wird die Wärme als eine Form der Energie betrachtet und ihre Umwandlung in andere Energieformen, wie mechanische Energie, diskutiert. Es wird auf die physikalischen Gesetze eingegangen, die diese Umwandlungen begrenzen, insbesondere den zweiten Hauptsatz der Wärmelehre, der besagt, dass Wärme nicht vollständig in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Der Absatz verwendet Beispiele, um die Konzepte von reversiblen und irreversiblen Prozessen zu veranschaulichen und betont die Bedeutung dieser Prinzipien für die praktische Energienutzung.

Keywords

💡Blattgrün

Blattgrün, auch bekannt als Chlorophyll, ist ein Pigment, das Pflanzen benutzen, um die Energie des Sonnenlichts zu absorbieren und in chemische Energie umzuwandeln. Im Video wird erklärt, wie Pflanzen mit Hilfe von Blattgrün die Energie des Sonnenlichts in chemische Verbindungen speichern, was für die Ernährung von Tieren und Menschen von großer Bedeutung ist.

💡Sonnenenergie

Sonnenenergie ist die zentrale Energiequelle für die Erde und wird im Video als grundlegende Voraussetzung für das Überleben von Pflanzen, Tieren und Menschen beschrieben. Ohne Sonnenenergie müssten wir verhungern, da sie die Pflanzen ernährt, die wiederum die Grundlage der Nahrungskette bilden.

💡Wasserkraft

Wasserkraft ist eine Form der erneuerbaren Energie, die durch die Bewegung von Wasser, insbesondere durch Flüsse und Stürze, mechanische Arbeit erzeugt. Im Video wird die Wasserkraft als eine alte Technik vorgestellt, die zur Antriebskraft von Wasserrädern und somit zur Erzeugung von mechanischer Arbeit genutzt wird.

💡Energieumwandlung

Energieumwandlung bezieht sich auf den Prozess, bei dem Energie von einer Form in eine andere transformiert wird. Im Video wird dies anhand verschiedener Beispiele, wie der Umwandlung von Wasserdampf in Wolken und Regen oder der Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme beim Sägen, veranschaulicht.

💡Lageenergie

Lageenergie ist eine Form der potentiellen Energie, die einem Objekt aufgrund seiner Position oder Höhe zugeordnet wird. Im Video wird die Lageenergie des Wassers in einem Stausee als Beispiel für eine regenerative Energiequelle genannt, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

💡Wärme

Wärme ist eine Form der Energie, die durch die Bewegung von Teilchen in einem Medium, wie Gas, Flüssigkeit oder Feststoff, übertragen wird. Im Video wird Wärme als eine Form der Energie erwähnt, die durch Sonneneinstrahlung entsteht und auch als Verlustform bei der Energieumwandlung in Kraftwerken auftritt.

💡Energieerhaltung

Die Energieerhaltung ist ein grundlegender physikalischer Satz, der besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Im Video wird dieser Satz als zentrales Prinzip der Energieumwandlungen beschrieben.

💡Leistung

Leistung ist ein physikalischer Begriff, der die Verrichtung von Arbeit in der Zeit misst. Im Video wird Leistung definiert als der Quotient aus verrichteter Arbeit und der dafür benötigten Zeit, was z.B. beim Vergleich von Glühbirnen und Energiesparlampen verwendet wird, um ihre Effizienz zu vergleichen.

💡Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz einer Energieumwandlung, definiert als das Verhältnis der nutzbaren Energie zur zugeführten Energie. Im Video wird der Wirkungsgrad verwendet, um die Effizienz von Glühbirnen und Energiesparlampen zu vergleichen und zeigt, wie durch den Einsatz moderner Technologien Energie sparen möglich ist.

💡Primärenergie

Primärenergie bezieht sich auf Energie, die unmittelbar aus der Natur gewonnen wird, wie zum Beispiel Steinkohle, Öl oder Uran. Im Video wird die Bedeutung verschiedener Primärenergieträger für die Energieversorgung Deutschlands im Jahr 2000 diskutiert und der Anteil der fossilen Energieträger sowie der regenerativen Energien thematisiert.

Highlights

Pflanzen speichern Energie des Sonnenlichts mit Hilfe von Blattgrün

Tiere und Menschen ernähren sich von Pflanzen, die durch Sonnenlicht gewonnene Energie

Wärme als Form von Energie, die durch Sonneneinstrahlung entsteht

Wasserkraft nutzt die Energie von Wasserrädern, eine alte Technik zur mechanischen Arbeit

Sonnenenergie ist die Basis für den natürlichen Wasserkreislauf und die Energie von Wasserkraftwerken

Pflanzen nutzen Chlorophyll, um chemische Verbindungen aus Kohlenstoffdioxid und Wasser zu erzeugen

Die Erde würde ohne ständige Sonnenerwärmung kalt und unbewohnbar sein

Wasserkraftwerke nutzen die Umwandlung von Lage- in Bewegungsenergie und dann in elektrische Energie

Energieumwandlungen wie die von mechanischer in Wärmeenergie beim Sägen von Holz

Energie wird in der Physik als Arbeitsfähigkeit definiert

Arbeit und Energie haben die gleiche Einheit, das Joule

Der Energieerhaltungssatz besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann

Wärmekraftmaschinen wie Automotoren haben einen Wirkungsgrad, der aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Wärmelehre unter 50% liegt

Fossile Energieträger wie Steinkohle, Braunkohle, Öl und Erdgas machen einen Großteil der Energieversorgung aus

Regenerative Energien wie Wasser-, Wind- und Solarenergie sind unbegrenzt verfügbar

Energieumwandlungen sind irreversibel, wie das zweite Hauptsatz der Wärmelehre besagt

Technische Verbesserungen können die Effizienz von Energieumwandlungen erhöhen, aber physikalische Grenzen bleiben

Transcripts

[Musik]

mit Hilfe von Blattgrün speichern

Pflanzen die Energie des Sonnenlichts in

chemischen Verbindungen

Tiere und Menschen ernähren sich von

Pflanzen bei der Einstrahlung von

Sonnenlicht entsteht Wärme dies ist

ebenfalls eine Form von Energie ohne die

ständige Erwärmung durch die Sonne wäre

die Erde kalt und

unbewohnbar auf der Erde gibt es noch

andere Energieformen die nachhaltig

verfügbar

sind mit Hilfe der Wasserkraft können

Wasserräder angetrieben werden dies ist

eine uralte Technik um mechanische

Arbeit zu verrichten eine Achse

überträgt die Drehung des wasserrads in

das Innere eines

Gebäudes mit einem Getriebe und einer

Pleuelstange kann daraus eine schnelle

auf und Abwärtsbewegung entstehen beim

Sägen der Holzbalken wandelt sich die

mechanische Energie wieder in Wärme die

Wasserkraft beruht auf der Sonnenenergie

Wärmestrahlen lassen Wasser auf

Gewässern verdunsten das warme

gasförmige Wasser steigt gegen die

Schwerkraft nach oben und speichert Z

Lageenergie in höheren kalten

Luftschichten kondensiert der

Wasserdampf zu feinen Wassertröpfchen es

bilden sich Wolken diese ziehen mit den

Luftströmungen über das Land und bringen

Regen und Schneefall besonders häufig an

Bergketten nun schließt sich der

Wasserkreislauf das Wasser strömt in

Bächen und Flüssen zurück zum Meer so

kann der Mensch die Wasserkraft immer

wieder neu nüzen grüß Gott liebe

Zuschauer ich begrüße sie zur ersten

Sendung der Reihe telekolik Technologie

heute geht es um Energie und

Energieumwandlungen die wichtigste

Energiequelle der Erde ist die

Sonnenenergie ohne diesen Energiefluss

müssten wir verhungern zuerst würde es

die Pflanzen treffen und später dann

auch Tiere und Menschen die grünen

Flächen der Pflanzen sind chemische

Kraft wke die Sonnenenergie nutzen mit

Hilfe des Blattgrüns die chemische

Bezeichnung dafür ist Chlorophyl werden

aus den Rohstoffen

Kohlenstoffdioxid und Wasser der

lebenswichtige Sauerstoff frereigesetzt

und der Energiespeicher raumzucker

gewonnen unter Verwendung von

mineralischen düngestoffen aus dem Boden

produzieren die Pflanzen aus dem

grundstoffzcker viele weitere wichtige

Stoffe wie Stärke Fett Eiweiß Fasern

Farbstoffe heil und

gewürzstoffe die Sonne sorgt auch für

den natürlichen Wasserkreislauf und

damit für die Energie von

Wasserkraftwerken bei diesem

Modellversuch zur Wasserkraft stellen

Sie sich hier oben einen speichersie vor

indem Wasser in einer großen Höhe über

dem Kraftwerk lagert die Lageenergie des

speicherwassers wandelt sich im Fallrohr

in

Bewegungsenergie mit dem Auftreffen auf

die Schaufeln einer Turbine

wandelt sich die Bewegungsenergie in

Rotationsenergie in einem Generator wird

damit elektrische Energie erzeugt und

elektrische Arbeit

verrichtet bei diesem Versuch wird ein

Metallfaden durch elektrische

Reibungsarbeit so stark erhitzt dass er

leuchtet damit findet eine weitere

Energieumwandlung in Lichtenergie statt

dieses Beispiel eines Wasserkraftwerks

zeigt sehr schön die enge Verbindung der

Begriffe aber und

Energie in der Frühgeschichte standen

noch keine Kraftwerke zur Verfügung die

Menschen halfen sich mit einfachen

Vorrichtungen und Maschinen die auf

grundlegenden physikalischen Prinzipien

wie der Hebelkraft und dem Flaschenzug

beruhten dazu wurde die Arbeitsfähigkeit

von Menschen und Tieren genutzt nach

einer physikalischen Gesetzmäßigkeit

kann die Arbeit selbst nicht vermindert

wohl aber die Kraft verstärkt werden

dafür wird wie bei diesem Laufrad einer

Mühle ein längerer Weg in Kauf

genommen sie kennen die unangenehme

Situation wenn sie früh morgens unsanft

aus dem Schlaf gerissen werden aber ein

Wecker ist ein besonders gutes Beispiel

um den Zusammenhang von Arbeit und

Energie zu zeigen dieser elektrische

Wecker bezieht seine Energie aus einer

Batterie dies ist eine chemische Form

von Energie damit wird eine Uhr und ein

leutwerk

Betrieben noch deutlicher wird der

Mechanismus bei diesem mechanischen

Wecker wenn ich diese Spiralfeder

aufziehe dann erhält sie die Fähigkeit

beim Entspannen Arbeit zu

verrichten ein glöppel wird mehrfach

beschleunigt er schlägt abwechselnd

gegen die beiden Glocken und er erzeugt

schallener

folgerichtig wird in der Physik die

Energie als eine Arbeitsfähigkeit

definiert umgekehrt verändert die Arbeit

den

Energiezustand zur Abkürzung werden die

Großbuchstaben W für Arbeit und E für

Energie eingeführt denken Sie dabei an

die englischen Worte work und

energy bei dem Dreiecksymbol handelt es

sich um den großen griechischen

Buchstaben Delta der eine Abkürzung für

eine Differenz dar stellt ausgeschrieben

lautet die Formel Arbeit W g= Energie

nachher

Energie

vorher sie haben in Telekolleg Physik

gelernt die Arbeit und Energie

zahlenmäßig zu erfassen und dazu

Rechnungen durchzuführen klar ist beide

haben die gleiche Einheit ein Joule

abgekürzt ein

J damit wird ein berühmter englischer

Physiker geehrt der im 19 J

lebte welche Arbeit verrichte ich wenn

ich einen Gegenstand hochhebe sie kennen

die Formel für die Hubarbeit W Hub ist

GLE Gewichtskraft groß g mal Höhe h

diese Autobatterie hier wiegt 13 kg ich

rechne die Masse um in eine

Gewichtskraft in der Einheit Newton

Gewichtskraft groß

g= Masse m mal Erdbeschleunigung klein g

=ich 13 kg mal 9,8 m durch Sekunde

Quadrat das ergibt

127

Newton merken Sie sich den

Umrechnungsfaktor zwischen Masse und

Gewichtskraft von etwa 10 Newton pro

Kilogramm 1 Kilogramm entspricht etwa 10

Newton ich hebe diese Batterie mit einer

Kraft von

127 Newton um eine Höhe von 79 cm für

die Nullmarke der Höhenmessung ist es

egal ob ich die tischebene betrachte

oder den Fußboden oder sogar den

Meeresspiegel die huberbeite bezieht

sich auf jeden Fall auf eine

Höhendifferenz das sind hier 79 cm wir

können jetzt die huberbeit ausrechnen

huberbeit = g mal h = 127 new*

0,79

das ergibt 100 newonm = 100 Joule indem

ich an der Batterie eine Hubarbeit

verrichtet habe habe ich ihre

Lageenergie um 100 Joule erhöht ich will

jetzt die gleiche Hubarbeit mit Hilfe

einer Maschine verrichten ich verwende

dazu einen

Flaschenzug bei einer Höhendifferenz von

79 cm erwarte ich wieder eine hubeit von

100 Joule denn schließlich ändert sich

die Lageenergie in gleicher Weise

allerdings ist hier die Zugkraft viel

kleiner das spüre ich genau das Zugseil

wird bei diesem Flaschenzug um drei lose

Rollen unten und vier feste Rollen oben

gelenkt insgesamt hängt die Batterie an

sieben

seilstücken im Idealfall ohne Reibung

beträgt die Zugkraft ein Siebel der

Gewichtskraft allerdings ist hier der

Zugweg viel grö

wenn ich die Batterie wieder auf

Ausgangsniveau absenke und das Seil

durch meine Finger laufen lasse dann

sind das nicht nur 79 cm sondern sieben

Mal so viel etwa 5inh

mer für die Einheit von Arbeit und

Energie ein Joule merken Sie sich bitte

folgenden einprcksamen Vergleich auf

diese Tafel Schokolade 100 g wirkt eine

Gewichtskraft von einem Newton wenn Sie

eine

tafelchokolade um einen Meter heben dann

verrichten sie eine Hubarbeit von 1

Meter die Lageenergie der Schokolade hat

sich um ein Joule erhöht aus

telekollegphysik wissen sie dass der

Begriff arbeiten nicht nur im Speziellen

Sinne einer Hubarbeit definiert ist

sondern ganz allgemein als Produkt aus

Kraft mal weg die einfache Formel w= F

mal s gilt immer dann wenn die Kraft

konstante ist und parallel zum Weg

gerichtet ist dazu ein Zahlenbeispiel

ein Schlepplift zieht einen Skifahrer

mit einer konstanten Zugkraft von 45

Newton über eine Strecke von 200 m damit

verrichtet der Lift eine Arbeit von 45

Newton x 200 m = 9000 Joule = 9,0

KJ es handelt sich dabei um eine Summe

aus Reibungsarbeit und Hubarbeit

Hubarbeit deshalb weil sich die

Lageenergie des Skifahrers erhöht

beachten Sie auch dass bei einer Arbeit

die Zeit keine Rolle spielt sie kommt in

der Formel nicht vor andererseits spielt

es schon eine Rolle in welcher Zeit eine

Arbeit verrichtet wird deshalb wird

zusätzlich zum Begriff Arbeit eine

Leistung definiert eine Leistung im

physikalischen Sinne ist der Quotient

aus verrichteter Arbeit durch benöt Zeit

als Formel geschrieben P = W dur t bei P

denken Sie an Power die Einheit der

Leistung ist 1 Joule dividier durch 1

Sekunde =ich 1 Watt großes W als

Abkürzung diese Einheit ehrt einen

weiteren britischen Physiker der VT

Schul im 18 Jahrhundert lebte auch dazu

ein

Zahlenbeispiel wenn der Schlepplift die

Arbeit innerhalb von 30 Sekunden

verrichtet dann beträgt die Leistung P =

W dur t = 9,0 KJ dur 30 Sekunden = 300

Watt würde er dagegen doppelt so lange

brauchen also 60 Sekunden dann gilt P =

W dur 2 x T = 9,0 KJ dur 60 Sekunden =

150 wat

in diesem Fall ist seine Leistung nur

noch halb so

groß auch für die Einheit der Leistung

nämlich 1 Watt merken Sie sich einen

einprägsamen Vergleich wenn Sie diese

Tafelschokolade innerhalb von einer

Sekunde um einen Meter heben dann

verrichten sie eine Arbeit von einem

Joule in einer Sekunde und leisten damit

gerade ein Watt einer der bekanntesten

und vielleicht der wichtigste Satz der

Physik ist der

energiererhaltungssatz es gibt dafür

verschiedene Formulierungen z.B die

Energie kann weder erzeugt noch

vernichtet werden wie ist das wenn ich

diesen Hüpfball fallen

lasse mit abnehm der Höhe wächst seine

Geschwindigkeit seine Lageenergie nimmt

immer mehr ab seine Bewegungsenergie

immer mehr

zu das erhaltungskonzept für Energie

gilt zu jedem Zeitpunkt die Summe aus

Lageenergie plus Bewegungsenergie ist

konstant gleich der Lage Energie am

Start dies erlaubt uns zu jedem

Zeitpunkt eine Umrechnung von

Lageenergie in

Bewegungsenergie die formelgleichung

lautet M* G* H + 1/* M* v² ist eine

konstante kurz vor dem Auftreffen am

Tisch nimmt die Geschwindigkeit ihren

maximalen Wert an nun liegt die gesamte

Energie als Bewegungsenergie vor eine

winzige Zeiteinheit spät jedoch ist die

Geschwindigkeit für einen Moment gleich

0 damit gibt es jetzt weder Lage noch

Bewegungsenergie aber wir ahnen dass die

Energie immer noch im verformten Gummi

gespeichert ist es handelt sich um

Verformungsenergie die verformten

Gummielemente entspannen sich

anschließend wieder und beschleunigen

den Ball nach oben kurz über dem Tisch

ist die Verformungsenergie Null die

Bewegungsenergie jedoch maximal

nun wächst die Höhe über dem Tisch die

Bewegungsenergie nimmt ab die

Lageenergie zu zu jedem Zeitpunkt ist

die Summe aus beiden

konstant es bleiben jetzt noch zwei

Fragen zu klären erstens wie kann die

Bewegung beginnen wenn der Ball zuerst

am Tisch ruht dann muss ich an ihm

Hubarbeit verrichten damit er seine

anfängliche Lageenergie bekommt diese

Energie entnehme ich meinem Körper und

zwar mindest so viel wie die hubeit

beträgt bzw die anfängliche

Lageenergie die Energie eines

menschlichen Körpers können wir

physiologische Energie nennen sie wird

durch die chemische Umwandlung von

Speisen

bereitgestellt die zweite Frage betrifft

die Tatsache dass der Ball nach dem

aufprallen nicht mehr die ursprüngliche

Höhe erreicht aber es gilt trotzdem das

Energieprinzip Energie verschwindet nie

sie kann sich nur in einer anderen form

verstecken suchen wir danach ich habe

hier ein Modell für den elastischen

Hüpfball die Kugeln und die Federn

stellen die elastischen gummimoleküle da

wenn dieser Ball am Tisch

aufprallt dann beginnen Kugeln sich zu

bewegen Federn spannen sich es liegt

Bewegungs und Verformungsenergie vor

aber die Bewegung findet nicht nur in

vertikaler Richtung statt sondern sie

wird überlagert von einer chaotischen

Zitterbewegung aller

Moleküle deshalb ist es nicht möglich

die volle Energie in die Bewegung nach

oben umzusetzen ein Teil der Energie

bleibt zurück als Zitterbewegung der

restlichen Moleküle der Gummiball hat

sich ein wenig erwärmt Wärme ist auch

eine Form von Energie wir sprechen von

innerer

Energie wenn wir zu den mechanischen

Energieformen die innere Energie aus der

wärmeleehere hinzunehmen erhalten wir

eine allgemeingültige Formulierung von

energieerhalten tung die auch als erster

Hauptsatz der Wärmelehre bezeichnet wird

die Gesamtgröße der Energie bleibt bei

allen Umwandlungen erhalten es ändern

sich nur die Anteile der Beteiligten

Energieformen unternehmen wir nun ein

Streifzug durch verschiedene

Energiearten und ihre

Eigenschaften die Lageenergie des

Wassers in einem Stausee ist mit einigen

sehr günstigen Eigenschaften verknüpft

diese Lageenergie kann über Wochen und

Monate gespeichert werden

bei Bedarf kann sie sehr kurzfristig in

elektrische Energie umgewandelt werden

der natürliche Wasserkreislauf füllt die

Vorräte wieder auf deshalb nennt man die

Wasserkraft eine regenerative Energie

ein Zahlenbeispiel dazu das große

Wasserkraftwerk Itaipu in Brasilien

nützt die riesige Wassermenge des

paranflusses seine Leistung beträgt 13

Milliarden Watt das sind 13 Gigawatt wer

während eines Tages wird im Mittel eine

kaum vorstellbare Lageenergie von 1er

Million gigajle g=ich 1 x 10 hoch 15

Joule in elektrische Energie

umgewandelt als zweites energiebeispiel

betrachten wir elektrische Energie diese

ist nur in geringen Mengen in Akkus

speicherbar ein Netz von Kraftwerken und

Versorgungsleitungen gewährleistet dass

zu jedem Zeitpunkt die benötigte

Energiemenge bereitgestellt wir so

können wir elektrische Energie intensiv

nutzen sie ist so praktisch weil sie mit

Elektromotoren leicht wieder in

Bewegungs oder Lageenergie gewandelt

werden kann auch dazu ein Zahlenbeispiel

ein Akku für einen PKW speichert eine

Energie von etwa 2 Millionen Joule das

sind 2

megjle beim Starten des Motors kann

dieser Akku kurzzeitig mehr als 1000

Watt leisten

eine Leistung von 100 Watt hält er etwa

5 Stunden durch dann muss er wieder

aufgeladen

werden als drittes Beispiel betrachte

ich die Energieform Wärme diese bietet

einige Vorteile sie wird von der Sonne

reichlich geliefert sehr viel mehr als

der gesamte Energiebedarf der Welt

ausmacht außerdem entsteht sehr viel

Wärme gewissermaßen als Verlustwärme von

Kraftwerken Wärme kann auf viellei Weise

transportiert werden über ein

Transportmedium wie Wasser oder mit

Wärmestrahlung sogar durch das Vakuum

des

Weltalls Wärme kann in begrenztem Umfang

gespeichert werden z.B in einem

Warmwasserspeicher in einen 300 l

Wasserspeicher ist die innere Energie

von etwa 50 Millionen Joule gespeichert

das Äquivalent von 25 p kW Akkus wenn

diese Energiemenge innerhalb eines Tages

verwendet wird dann entspricht dies

einer mittleren Wärmeleistung von 600

Watt in der technischen Praxis wird eine

Energieumwandlung oft mit Hilfe eines

Wirkungsgrades charakterisiert dazu

dieses Experiment wir haben hier eine

klassische Glühlampe und daneben eine

moderne

Energiesparlampe die beiden Lampen

wurden so ausgesucht dass in etwa den

gleichen so genannten Lichtfluss

erbringen sie kennen vielleicht die

Einheit Lumen von den Verpackungen von

Lampen es ist interessant die

Wirkungsgrade der beiden Lampen zu

vergleichen denn das zeigt den

Fortschritt der Technik in die

Steckdosen wurden Leistungsmessgeräte

eingefügt bei der Glühlampe messen wir

ungefähr 57 Watt das entspricht in etwa

der dem Aufdruck auf der

Verpackung die Leistungsangabe bei der

Energiesparlampe ist etwa 11 Watt das

ist ungefähr ein Fünftel der Leistung

der

Glühlampe deshalb ist der Wirkungsgrad

der Energiesparlampe fünfm so groß wie

der der Glühlampe der Wirkungsgrad ETA

ist definiert als Verhältnis von

nutzbarer Energie durch zugeführte

Energie ETA ist GLE eutz durch E zu ETA

hat keine Einheit denn die Joule im

Zähler und im Nenner kürzen sich

gegenseitig Weg eter ist eine

Dezimalzahl kleiner als eins weil sich

Energie nicht vermehren lässt sehr oft

gibt man einen Wirkungsgrad als

Prozentzahl an beachten Sie bitte dass

immer noch Energieerhaltung gilt in der

Technik interessiert man sich allerdings

oft nur für einen kleinen Teil der

Energieformen und bezeichnet den Rest

als

Verlust der der Wirkungsgrad einer

Glühlampe in Bezug auf die Lichtenergie

beträgt ungefähr

5% 95% der zugeführten elektrischen

Energie wird direkt in Wärme umgewandelt

und entspricht damit nicht dem

beabsichtigten nutzen eine

Energiesparlampe ist eine

miniuchtstoffröhre hier ist die

Lichtausbeute schon viel größer eter

ungefähr

25% ein weit größeren Wirkungsgrad als

Glühlampen und Energiesparlampen haben

Leuchtdioden es gibt inzwischen

Leuchtdioden zu kaufen die weißes Licht

ausstrahlen diese sind allerdings noch

so teuer dass sie nur in Spezialfällen

verwendet werden ich verwende diese

Stirnlampe bei Bergtouren wenn ich erst

nach Einbruch der Dunkelheit wieder

Absteige in Zukunft wird es immer

wichtiger sein mit energiesparsam

umzugehen wenn Sie Ihr Auto betanken

oder wenn Sie Ihre elektrizitätsrechnung

bezahlen dann merken sie es ja deutlich

Energie ist ein Wirtschaftsgut und nimmt

einen wesentlichen Anteil bei ihren

Lebenshaltungskosten

ein Energierohstoffe wie Steinkohle

Braunkohle Erdöl Erdgas oder Uran werden

als Träger von Primärenergie bezeichnet

das Diagramm zeigt den Anteil

verschiedener Energieträger an der

Energieversorgung Deutschlands im Jahr

2000 bei Steinkohle Braunkohle Öl und

Erdgas spricht man von fossiler Energie

weil sie sich aus den Resten

vorgeschichtlicher Pflanzen und

Lebewesen bildeten diese Energieträger

haben einen Gesamtanteil von etwa

80%. die Kernenergie des Urans entstand

noch viel früher bei der Bildung von

schweren Elementen im

Universum zur Primärenergie zählt man

auch die Wasserkraft die Windenergie und

die energieanteile die mit

Solarkollektoren und Solarmodulen

gewonnen werden diese Energieformen

liefern bisher nur einen geringen Anteil

an unserem Energiemix aber sie stehen im

Gegensatz zu den anderen Primärenergien

unbegrenzt zur Verfügung deshalb heißen

diese Energieformen

regenerativ wie nüzen wir die

Primärenergie betrachten wir dazu die

beiden Beispiele Auto und

elektrizitätskraftwerk beim

elektrizitätskraftwerk ist es fast egal

ob sie an ein Kohle Öl oder

Kernkraftwerk denken die

Energieumwandlungen laufen immer über

den

sekundärenergieträger Wärme es sind

alles

Wärmekraftwerke die Zahlenwerte beziehen

sich allerdings auf ein

Kernkraftwerk ein Auto ist ein

Fortbewegungsmittel die Nutzenergie ist

deshalb die

Bewegungsenergie sie erreicht lediglich

einen Anteil von

16%. die Verluste durch Abgase

Kühlwasser

motorabstrahlung Eigenbedarf der des

Autos und Reibung sind erstaunlich hoch

hier kann man noch Raum für technische

Verbesserungen vermuten bei Kraftwerken

erreicht die elektrische Nutzenergie

einen Anteil von etwa

33%. hier sind die Verluste durch

Leitungen Kühlung Generator Eigenbedarf

des Kraftwerks und Stromtransport kaum

noch zu senken aus physikalischen

Gründen die wir im Anschluss besprechen

werden liegt der theoretisch erreichbare

wirk grad nur wenig über den angegebenen

33% bei einem Kraftwerk mit einer

Leistung von einem Gigawatt müssen 2

Gigawatt im Kühlturm an die Umwelt

abgegeben werden würde das nicht

geschehen dann kann auch das eine

Gigawatt Nutzleistung nicht erzielt

werden der physikalische Wirkungsgrad

erreicht nur bei ausreichender Kühlung

sein

Optimum sie erinnern sich der erste

Hauptsatz der Wärmelehre beschreibt

Energieerhaltung undter Einschluss von

Wärme es gibt noch einen zweiten

Hauptsatz der Wärmelehre er schränkt ein

dass Wärme nur zum Teil in mechanische

Energie umgewandelt werden kann eine

mögliche Formulierung lautet so es gibt

keine Maschine die innere Energie in

mechanische Energie umwandelt ohne dass

ein Teil der zugeführten Wärme wieder

abgegeben wird deshalb sind

Energieumwandlungen unter Beteiligung

von Wärme nie umkehrbar eine

Energieumwandlung die nicht umkehrbar

ist heißt irreversibel dazu einige

Beispiele wenn ein Luftballon zerplatzt

dann kommt es zum Druckausgleich das

Volumen der luftteilche nimmt in kurzer

Zeit sehr stark

zu sie können sich gut vorstellen dass

so ein Prozess nicht von alleine in die

umgekehrte Richtung verlaufen kann

deshalb die Bezeichnung

irreversibel ein anderes Beispiel ich

kippe eiswürfel in einen Apfelsaft

die Eiswürfel werden schmelzen und Sie

entnehmen ihre Schmelzwärme dem

Apfelsaft der wird dadurch gekühlt das

0° Wasser der Eiswürfel wird den

Apfelsaft weiter kühlen ein weiteres

Beispiel für einen irreversiblen Prozess

noch ein drittes Beispiel ich gieße aus

einem Krug Wasser in ein Becken die

anfängliche

Lageenergie wandelt sich zuerst in

Bewegung Energie und beim Aufprall in

Wärme liebe Zuschauer können Sie sich

vorstellen dass das Wasser aus dem

Becken von alleine wieder nach oben

fließt gegen die Schwerkraft zurück in

den

Krug nun der energierhaltungssatz wird

dadurch nicht verletzt das Wasser kühlt

sich beim aufwärtsfliesen ein wenig ab

und wandelt die abgegebene Wärme in

mechanische Energie es gewinnt

Lageenergie für unser Empfinden ist dies

eine unmögliche Energieumwandlung und

damit haben wir recht dieser Vorgang

würde den zweiten Hauptsatz der

wärmeleere verletzen Wärme kann nicht zu

100% in mechanische Energie umgewandelt

werden deshalb ist jede

Energieumwandlung aus Lageenergie in

Wärme wie sie bei jedem Wasserfall

stattfindet ein irreversibler Prozess es

ist aber durchaus möglich mechanische

Energie aus Wärme zu gewinnen dazu

verwendet man eine wärmekraftmasch

wie z.B einen Automotor sein

Wirkungsgrad ist wegen des zweiten

Hauptsatzes weit geringer als

50%. liebe Zuschauer in der nächsten

Sendung beschäftigen wir uns mit

Wärmekraftmaschinen und ihren

energiewandlungen ich würde mich freuen

wenn Sie sich für die Fortsetzung

interess