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Dampfdruckkurve und Phasendiagramm von Wasser

Diagramme:Die Dampfdruckkurven (p-V-Diagramm) und das Phasendiagramm (p-T-Diagramm) von Wasser werden gegenübergestellt.Erhitzt man Wasser bei atmosphärischem Normaldruck auf 100 °C, so entsteht Dampf. Wie wirkt sich aber eine Erhöhung oder Absenkung des Drucks auf die Verdampfungstemperatur aus?Die Antwort geben die Dampfdruckkurve (T-Kurven im p-V-Diagramm links) und das Phasendiagramm (p-T-Diagramm rechts) des Wassers. Dampfdruck nennt man den Druck, bei dem Gas und Flüssigkeit im Gleichgewicht miteinander stehen, d. h., es verdampfen ebenso viele Moleküle wie auch wieder kondensieren. Oberhalb der kritischen Temperatur (Zahlenwerte sind angegeben) ist das Wasser, egal bei welchem Druck, immer gasförmig und es kann als reales Gas behandelt werden (Van-der-Waals-Gleichung, Formel ist angegeben). Unterhalb der kritischen Temperatur gibt es zu jeder Temperatur einen Dampfdruck, für den ein Zweiphasengebiet (flüssig und gasförmig) vorliegt. Im Bereich der flüssigen Phase kann man an der steilen Steigung der Kurven erkennen, das flüssige Substanzen kaum kompressibel sind. Die kritische Temperatur darf nicht verwechselt werden mit der Temperatur des Tripelpunkts (siehe p-T-Diagramm). Er kennzeichnet die Werte von Temperatur und Druck, bei der alle Phasen (fest - flüssig - gasförmig) gleichzeitig vorliegen. Hinweise und Ideen:Bei welcher Temperatur kocht Wasser auf dem Mount Everest? Sog. “Dampfdrucktabellen” geben Aufschluss darüber. Interessant wäre auch der Hinweis auf die Phasenwandlungspunkte als Haltepunkte der Temperatur. Beim Phasenübergang von flüssig nach gasförmig führt die zugeführte Energie zunächst nicht zur Temperaturerhöhung. Ebenso beim Schmelzen von Eis. Erst wenn alles Wasser verdampft bzw. geschmolzen ist, steigt die Temperatur weiter.


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Vom Wasserrad zur Turbine (GS)

Fotocollage:
Fotos von einem Wasserrad sowie drei verschiedenen Turbinenarten.

Schon früh setzte man Wasserräder ein, um die Energie von Wasser zu nutzen, z. B. zum Antreiben eines Mühlrads. Die Turbinen, die in Wasserkraftwerken eingesetzt werden, sind eine Weiterentwicklung des klassischen Wasserrads, um Generatoren für die Stromerzeugung anzutreiben. Diese Turbinen heißen nach ihren Erfindern: Pelton, Kaplan und Francis.

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Speicherkraftwerk

Grafik:
Funktionsprinzip eines Speicherkraftwerks.

Beim Speicherkraftwerk wird von Natur aus nachfließendes Wasser mithilfe eines Stausees angestaut und für Bedarfsspitzen bevorratet. Das gestaute Wasser wird dann mittels Druckrohrleitungen zu den Turbinen des niedriger gelegenen Kraftwerks geführt. Die gesamte Lageenergie des Wassers im Speicherbecken ist also ein Energiespeicher für Spitzenzeiten. Kleinere Speicherkraftwerke verwenden Pelton-Turbinen, große Speicherkraftwerke (großer Druck und große Wassermenge) verwenden Francis-Turbinen.

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Primärenergie-Verbrauch weltweit

Diagramm:Primärenergie-Verbrauch weltweit im Jahr 2012.Diagramm:Ein Balkendiagramm gibt den Umfang des Primärenergie-Verbrauchs in Millionen Tonnen Rohöleinheiten (tRÖE) einzelner Weltregionen an und deren prozentualen Anteil am Weltenergie-Verbrauch. Hinweise und Ideen:Für ein Kurzreferat eignen sich die Fragen: Wer oder was ist die OECD? Was für Ziele hat sie? Welche Länder sind OECD-Mitglied?Unter Verwendung der Quelle: International Energy Agency (IEA)

Medientypen

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Lernalter

11-18

Schlüsselwörter

Diagramm Energie Ökologie

Sprachen

Deutsch

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Energiesparen als Energiequelle

Schemagrafik:Diese Übersicht zeigt anhand ausgewählter Beispiele, dass Energiesparen selbst als “Energiequelle” bezeichnet werden kann.Anhand von fünf Beispielen aus dem Alltag (Strom- und Wärmeerzeugung, Energieverteilung, Bauwesen, Beleuchtung, Verkehr) wird gezeigt, wie Energiesparen den Verbrauch einzelner Energieträger (primär oder sekundär) schont. Hinweise und Ideen:Die Schülerinnen und Schüler können nach weiteren Beispielen suchen. Welche Bedeutung kommt dem Energiesparen in Bezug auf die allgemeine Verknappung der Ressourcen zu? Kann es etwa mit der Erschließung regenerativer Energiequellen gleichgesetzt werden?


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Was sind regenerative Energieträger?

Grafik und Diagramm:Die Definition des Begriffs “regenerative Energieträger” wird visualisiert.Per definitionem versteht man unter einem regenerativen Energieträger entweder einen nachwachsenden Energieträger - die Biomasse - oder einen nach menschlichem Ermessen unerschöpflichen Energieträger (wie die Sonne oder die Geothermie). Da Wind- und Wasserkraft durch den Einfluss der Sonne bedingt sind, werden auch sie zu den unerschöpflichen Energieträgern gezählt. Hinweise und Ideen:Das Medium eignet sich sehr gut als Einstieg in das Thema “Regenerative Energien”.


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Phasendiagramm von Wasser

Diagramm:p-T-Diagramm des reinen Wassers. Die Linien geben an, bei welcher Temperatur und welchem Druck die Phasen fest, flüssig und gasförmig miteinander im Gleichgewicht stehen. Nur am Tripelpunkt sind alle drei Phasen im Gleichgewicht, sonst sind es maximal zwei.Das Diagramm enthält neben den Gleichgewichtskurven (Schmelzdruckkurve, Sublimationskurve, Dampfdruckkurve) auch die Druck- und Temperaturangaben für Schmelz-, Siede-, Tripel- und kritischen Punkt.Achtung: Die Achsen des Diagramms sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.Hinweise und Ideen:In diesem Diagramm spiegelt sich auch die Dichte-Anomalie des Wassers (im festen Zustand niedrigere Dichte als im flüssigen Zustand) wider: Die Schmelzdruckkurve weist eine negative Steigung auf. Grund für die Dichte-Anomalie sind die Wasserstoffbrückenbindungen.


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Wofür verbraucht der Privathaushalt Energie?

%iagramm:Prozentualer Energieverbrauch deutscher und britischer Privathaushalte nach verschiedenen Anwendungsbereichen.Die Balken zeigen, welcher Anteil am Energieverbrauch in privaten Haushalten für Raumwärme, Warmwasser, Kochen sowie Beleuchtung und Elektrogeräte verwendet wird. Beispielhaft werden die Daten für Deutschland und Großbritannien aus dem Jahr 2012 miteinander verglichen. Zusätzlich ist der gesamte Energieverbrauch aller Haushalte in Deutschland und Großbritannien für das Jahr 2013 angegeben. Zusätzlich wird noch der Gesamtenergieverbrauch aller afrikanischen Länder südlich der Sahara angegeben.Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, wird ein Großteil der Energie im Haushalt für Heizen/Warmwasser verwendet. Aber auch beim Betrieb von Kühlschränken wird viel Energie verbraucht. Durch sparsamen Umgang und bewusstes Handeln könnte ein Teil dieser Energie eingespart werden.Hinweise und Ideen:Betrachtet man den Energieverbrauch der einzelnen Bereiche in der Gesamtheit, so wird ersichtlich, dass die Heizenergie mit über 60 % in beiden Ländern den größten Anteil hat. Daraus lässt sich ableiten, dass gerade beim Heizen ein enormes Energiesparpotenzial besteht. Wie kann das umgesetzt werden? Einige Beispiele sind: • der Bau energiesparender Gebäude durch Beachtung von Tageslichteinfluss und ausreichender Dämmung• der Kauf von energieeffizienten Haushaltsgeräten mit Energielabel A, A+ und A++.Im Vergleich zu den beiden europäischen Staaten ist der Energieverbrauch in Afrika gering. Dies liegt u. a. daran, dass in vielen Gebieten nur wenige Menschen überhaupt Zugang zur Energieversorgung haben.Hinweise und Ideen:Welche Energiesparmaßnahmen können die Schüler selbst ergreifen? Konkrete Energiespartipps findet man auch im Medium “Wie kann man im Haushalt Energie sparen?”%


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Energiesparen (Mindmap)

Mindmap:Es werden die unterschiedlichen Facetten des Themas Energiesparen visualisiert. Ausgehend von der Frage warum Energiesparen notwendig ist, wird den Fragen nachgegangen, wo, wie und an welchen Stellen Energie gespart werden kann.Hinweise und Ideen:Die Mindmap eignet sich als Einstieg in das Thema. Einzelne Punkte können als Referatsthemen vergeben werden, beispielsweise “Was tut der Staat, um Energie zu sparen bzw. das Energiesparen voranzutreiben?”


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Energieträger Biomasse

Diagramm:Überblick über die wichtigsten Vertreter der Biomasse und ihre Verwendung als primäre und sekundäre Energieträger.Biomasse ist eine der ältesten vom Menschen genutzten Energiequellen, v. a. in der Form von Holz. Die Energie “gewinnt” man daraus durch Verbrennung. Neben Holz können auch grüne Pflanzen (z. B. Chinaschilf) und getrockneter Dung verbrannt werden. Angesichts der Verknappung von Erdöl wird Biomasse vermehrt zur Gewinnung von Kraftstoffen eingesetzt. Das Diagramm zeigt, welche chemischen Verfahren hierbei zum Einsatz kommen und welche Biokraftstoffe dabei entstehen.


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