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Thermische Energie

Diagramm:Formeln für die thermische Energie von Gasen sowie die Temperaturabhängigkeit der zugehörigen molaren Wärmekapazität bei konstantem Volumen.Die thermische oder innere Energie eines Stoffs ist die Summe der Bewegungsenergien seiner Atome bzw. Moleküle. Diese Energie ist als Temperatur messbar. Führt man dem Stoff Wärme zu, steigt die Teilchengeschwindigkeit und damit die Temperatur. Bei molekularen Gasen kann die Wärmezufuhr zusätzlich zur translatorischen Bewegung die Anregung anderer Bewegungsformen (Rotation und Schwingung) hervorrufen. Dies drückt sich im stufenförmigen Verlauf der molaren Wärmekapazität aus (Diagramm rechts). Die molare Wärmekapazität eines Stoffs gibt an, wie viel Energie man zuführen muss, um 1 mol eines Stoffs um 1 °C zu erhöhen. Für gasförmige Stoffe gilt: Falls die Gasteilchen sich nur linear bewegen (Translation), ist die Wärmemenge, die zugeführt werden muss, um das Gas um 1 °C zu erhöhen, konstant 3R/2. Im Fall molekularer Gase fangen die Moleküle ab einer bestimmten Temperatur an zu rotieren. In diesem Bereich (linearer Anstieg im Diagramm) muss man mehr Energie zuführen, um die Temperatur um 1 °C zu erhöhen, 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 zugeführt werden muss, um die Temperatur um 1 °C zu erhöhen, wieder konstant 5R/2. Der Anstieg beim Übergang von Rotation nach Schwingung lässt sich analog erklären. Hinweise und Ideen:Die Übersichtsgrafik fasst das Thema Wärmeenergie am Beispiel Gase zusammen. Ausführliche Erläuterungen und Erläuterungen zur Wärme in Feststoffen findet man im Leitfaden “Was ist Energie?”.

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Die Redox-Flow-Zelle

Schemagrafik:Die Redox-Flow-Zelle ist ein Akkumulator und arbeitet sozusagen mit flüssigen Elektrodenmaterialien, z. B. aus Zink (Zn) und Iodid (I). Die Grafik zeigt den Fluss des Elektrodenmaterials beim Entladen der Zelle. Zwei Grafitelektroden (schwarze Flächen) dienen als Stromabnehmer. Zink (Zn) wird an seiner Elektrode oxidiert, das Iodid (I) wird an seiner Elektrode reduziert. Beim Aufladen legt man Spannung an und pumpt die beiden Lösungen wieder an den Elektroden vorbei. Hinweise und Ideen:Welche Vorteile hat dieses Verfahren gegenüber herkömmlichen Galvanischen Zellen?Normalerweise arbeitet eine Redox-Flow-Zelle mit Zink (Zn) und Bromid (Br). Im Schüler-Experiment wird das Bromid aus Sicherheitsgründen durch Iodid (I) ersetzt.


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Energieträger Erdwärme

Übersichtsgrafik: Gegenüberstellung tiefer und oberflächennaher Geothermie anhand ausgewählter Beispiele.Erdwärme oder auch Geothermie bezeichnet das thermische Energiepotenzial im Erdreich. Je nach Tiefe der Erdschichten entsteht die Erdwärme ausschließlich durch Restwärme aus der Erdentstehungszeit und durch radioaktive Zerfallsprozesse (tiefe Geothermie) oder aus der Sonneneinstrahlung (oberflächennahe Geothermie). Die tiefe Geothermie tritt an die Erdoberfläche, z. B. in Form von Thermalquellen und Vulkanen. Bei der oberflächennahen Geothermie zeigt sich ab ca. 15 m Erdtiefe eine jahreszeitenunabhängige Durchschnittstemperatur von 8 bis 12 °C, die sich fast ausschließlich aus der Sonneneinstrahlung speist. Erst ab ca. 100 m Tiefe überwiegt der Wärmezufluss aus dem Erdinneren. Sowohl die oberflächennahe als auch die tiefe Geothermie können mit unterschiedlichen Technologien zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden.Übrigens: Neuschnee im Frühjahr schmilzt auf warmer Erde sofort, wenn er direkt mit dieser in Berührung kommt. Fällt der Schnee jedoch auf Gras, bleibt er länger liegen, da das Gras als Isolationsschicht wirkt.Hinweise und Ideen:Das Medium kann einen Überblick über den Energieträger Erdwärme geben. Eine Verknüpfung mit Erdkunde liegt nahe. Mögliche Fragestellung: Welche Regionen bieten sich für die Nutzung tiefer und/oder oberflächennaher Geothermie an (z. B. Vorkommen heißer Thermalquellen in Island)? Ausführliche Informationen findet man im Leitfaden “Regenerative Energien” auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.


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Die Sonne - unsere Hauptenergiequelle

Grafik, beschriftet:Ein Querschnitt durch die Sonne zeigt die Temperatur- und Dichteprofile in den einzelnen “Sphären”. Die Energie entsteht durch Kernfusion im Sonneninneren.Die Strahlungsenergie der Sonne ist der Motor für die lebenswichtigen Prozesse auf der Erdoberfläche. Die Energie entsteht durch Kernfusion im Sonneninneren und diffundiert nach etwa 10 Mio. Jahren an die Sonnenoberfläche (Photosphäre), die sie als Strahlung an die Erde abgibt. Die Strahlungsenergie, die letztlich auf der Erde ankommt, ist daher uralt. Das Temperaturprofil durch den Sonnenquerschnitt zeigt Temperaturabnahme vom Kern bis zur Photosphäre und Temperaturzunahme von der Photosphäre zur Korona.Hinweis: Die “Schlangenlinien” im Bild symbolisieren die auftretende Strahlung und deren Wellenlänge.Die Strahlung, die auf die Erde trifft, geht von der Photosphäre aus.Hinweise und Ideen:Unter welchen Gesichtspunkten ist die Sonne eine unerschöpfliche Energiequelle? Welche Erklärung gibt es dafür, dass die Temperatur von der Photosphäre zur Korona hin wieder ansteigt? Übrigens: Der Mechanismus der Aufheizung in der Chromosphäre ist weitgehend ungeklärt!


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Solarzellen auf Hausdach

Foto:Fotovoltaik-Anlage, die auf einem Hausdach montiert ist.


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Funktionaler Aufbau eines Windrads

Grafik:Windrad in seinem gesamten Aufbau mit Sockel und Turm schematisch dargestellt.Das Fundament bildet die Verankerung der Windkraftanlage im Erdreich. Um die Standfestigkeit der Windenergie-Anlage zu gewährleisten, wird je nach Festigkeit des Untergrundes eine Pfahl- oder Flachgründung vorgenommen. Der Turm ist das größte und schwerste Teil einer Windenergieanlage. Er ist üblicherweise zwischen ein bis 1,8 Mal länger als der Rotordurchmesser und kann mehrere Hundert Tonnen schwer sein. Die Turmkonstruktion selbst trägt nicht nur die Massen der Maschinengondel und der Rotorblätter, sondern muss auch die enormen statischen Belastungen durch die wechselnden Kräfte des Windes auffangen. Man verwendet in der Regel Rohrkonstruktionen aus stapelbaren Beton- oder Stahlsegmenten. Die Turmhöhe bzw. die Nabenhöhe beträgt bei 3 MW bis ca. 6 MW Leistung und bei einem Rotordurchmesser von ca. 110 bis 130 m zwischen ca. 120 bis 130 m.Der Rotor ist diejenige Komponente, die mithilfe der Rotorblätter die im Wind enthaltene Energie in eine mechanische Drehbewegung umwandelt. Die Gondel mit Maschinenstrang (Triebstrang) enthält den gesamten Maschinensatz. (Funktionen im Detail siehe Medium “Windrad - Innenansicht”!)Hinweise und Ideen: Im Rahmen des Physikunterrichts könnte geklärt werden, warum es bei Durchströmung mit Wind zu einer Bewegung der Rotorbätter kommt (Strömungslehre von Venturi und Bernoulli).


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Turbinen und Generatoren im Walchenseekraftwerk

Foto:Turbinenhalle im Walchenseekraftwerk bei Kochel in Oberbayern, Deutschland. Links sieht man die horizontal liegenden Francisturbinen und rechts die damit verbundenen Generatoren.Das Walchensee-Kraftwerk gehört zu den größten Speicher-Kraftwerken Deutschlands. Als es 1924 in Betrieb genommen wurde, war es eines der modernsten Speicherkraftwerke weltweit. Es nutzt zwei natürliche Seen, den Walchensee als Oberbecken und den Kochelsee als Unterbecken. Über sechs 430 m lange Druckrohre mit einem nach unten leicht abnehmenden Durchmesser von rund 2 m fließt das Wasser über 200 m Fallhöhe zu den acht Turbinen im Maschinenhaus. Jährlich liefern die 8 Turbinen etwa 300 Millionen Kilowattstunden umweltfreundliche Energie. An die 100.000 Besucher besichtigen jährlich das Informationszentrum am Walchenseekraftwerk.


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Windrad - Innenansicht

%rafik, beschriftet:Rotor und Gondel (“Maschinenhaus”) eines Dreiflügel-Windrads mit horizontaler Drehachse. Die Innenansicht der Gondel wird gezeigt, die einzelnen Komponenten sind beschriftet.Das hier gezeigte Dreiflügel-Windrad mit horizontaler Rotationsachse ist bei großen Windkraftanlagen die häufigste Konstruktion. Das Windrad besteht aus einem Rotor und einer Gondel (“Maschinenhaus”), die auf einem hohen Turm angebracht sind.Das Funktionsprinzip: Das Anemometer misst die Windgeschwindigkeit. Die Daten werden an den Überwachungscomputer gesendet. Dieser steuert das Windrad und bedient den Nachführmotor, der das Windrad ausrichtet. Steht das Windrad optimal zum Wind, so übt dieser ein Drehmoment auf die Rotorblätter aus: Das Windrad dreht sich (ca. 20 Umdrehungen/min) und mit ihm die Antriebswelle. Das Getriebe wandelt die Drehzahl des Rotors in die für den Generator nötige Drehzahl (in Europa 1.500 U/min oder 3.000 U/min, in den USA 1.800 U/min oder 3.600 U/min) um. Der Generator erzeugt den Strom. Dieser wird über Kabel zum Fuß des Windrads hinuntergeleitet. Dort erfolgt die Einspeisung ins Netz. Der Wirkungsgrad eines Windrads liegt bei optimalen Windverhältnissen bei 40 - 51 %. (Der theoretisch maximale Wert liegt bei 59,3 %, ist aber praktisch nicht erreichbar.)Übrigens: Die Bremse sorgt dafür, dass das Windrad sich nicht drehen kann, z. B. bei extremem Sturm oder wenn es gewartet werden muss. (Es gibt auch Windräder ohne Getriebe, siehe dazu die Beschreibung beim Medium “Generator für Windrad”!). Hinweise und Ideen:Welche Vorteile hat ein Dreiflügel-Windrad gegenüber einem Ein-, Zwei- oder Vierblattflügler?Es lohnt der Hinweis, dass es auch Windräder mit vertikaler Drehachse gibt (Savonius-, Darrieus-Windrad). Wann setzt man diese Bauformen ein%


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Stromkreis

Grafik:Schematische Darstellung eines einfachen Stromkreises.Ein einfacher Stromkreis besteht aus einer Energiequelle (hier eine Batterie) und einem Verbraucher (hier eine Glühlampe), die durch Kabel miteinander verbunden werden.


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