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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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Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

%chemagrafik:Schematische Darstellung der Stromumwandlungsstufen bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) vom Produktionsort zum Mittelspannungsnetz des lokalen Netzes.Um Strom als Hochspannungs-Gleichstrom übertragen zu können, muss er sowohl transformiert als auch gleichgerichtet werden. Nach der Übertragung wird er mit Stromrichter wieder zu Wechselstrom gewandelt. Als Gleich- und Wechselrichter verwendet man Thyristoren. Die Fotos zeigen in der Starkstromtechnik verwendete Transformatoren und Thyristoren.Mit der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) lassen sich Strecken über Land (Freileitungen) ab ca. 1.000 km Länge und unter Wasser (Seekabel) ab ca. 60 km wirtschaftlicher überbrücken als mit Wechselstrom. Gleichstrom hat gegenüber dem Wechselstrom den Vorteil, dass er keine Wirbelströme verursacht und somit den vollen Leitungsquerschnitt nutzt. Aufgrund des niedrigeren Widerstands bei gleichem Querschnitt sind die Wärmeverluste geringer.Übrigens: Leistungsverluste sind bei Wechselspannung unter Wasser deshalb höher als in der Luft oder in der Erde, weil bei Tiefseekabeln keine Ausgleichselemente (Spulen, Kondensatoren) gegen induktive und kapazitive Verluste eingesetzt werden können.Hinweise und Ideen:Was verwendete man früher als Gleichrichter?Unter Verwendung der Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Hochspannungs-Gleichstrom-%C3%9Cbertragun%

Medientypen

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Lernalter

16-18

Schlüsselwörter

Diagramm Energieversorgung Physik

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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Energiequellen für elektrischen Strom

Schemagrafik:Übersicht über die Umwandlungspfade von verschiedenen Energiequellen hin zu elektrischem Strom.Um die in nuklearen, regenerativen und fossilen Energieträgern enthaltenen Energieformen für den Menschen nutzbar zu machen, müssen sie in eine andere Energieform umgewandelt werden, z. B. in elektrische Energie (“Strom”). Von den hier gezeigten Energieträgern ist bei Kernenergie, nachwachsenden und fossilen Brennstoffen sowie Geo- und Solarthermie eine direkte Umwandlung in elektrische Energie nicht möglich. Daher müssen 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 können 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 erläutern. Dass Energie nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden kann, ist den Schülern nicht selbstverständlich.


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Magnetische Energie

Übersichtsgrafik:Zwei Erscheinungsformen magnetischer Energie werden gegenübergestellt: 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 (Faraday’sches 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 äußeren magnetischen Feld auszurichten. In ferromagnetischen Materialien richten sich die magnetischen Dipole in kleinen Bereichen (“Weiߒsche Bezirke”) auch ohne äußeres Magnetfeld aneinander aus. Richtet man nun die Weiß'schen Bezirke durch ein äußeres Magnetfeld aus, erhält man einen Permanentmagneten. Übrigens: Erhitzt man einen Permanentmagneten, so verliert er oberhalb einer kritischen Temperatur seine Magnetisierung. Die magnetische Energie wird bei dieser sog. Curie-Temperatur als zusätzliche Wärme frei.Hinweise und Ideen:Ein einfaches Experiment zur Magnetisierung: Ein Permanentmagnet magnetisiert durch Darüberstreichen einen Eisennagel. Welche Arbeit muss außer der Reibungsarbeit dabei aufgewendet werden? Wird dabei der Permanentmagnet bzw. dessen magnetische Energie “verbraucht”?


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Anteil der Energieträger am weltweiten Strommix von 2005 bis 2040

%iagramm:Das Diagramm zeigt, dass die regenerativen Energien ab ca. 2040 auch weltweit den größten Anteil an der Stromerzeugung haben werden. Es wird deutlich, dass auch in Zukunft die fossilen Energieträger, insbesondere die Kohle, und die dafür entwickelten Kraftwerkstechnologien eine zentrale Rolle bei der Energieversorgung spielen werden. Diese Rolle wird aber zunehmend kleiner.Hinweise und Ideen:In Deutschland sowie in einigen anderen Ländern soll laut Prognosen der Anteil der regenerativen Energien an der Stromerzeugung wesentlich schneller steigen als am gesamten Primärenergieverbrauch. In Deutschland z. B. soll der Anteil in 2040 bei Strom bereits über 65 % liegen. Weltweit liegen die Prognosen sowohl bei Strom als auch beim Gesamtprimärenergieverbrauch (also Strom + Verkehr + Wärmeerzeugung) allerdings gleichauf bei gut 30 %. Wie kann man diesen Unterschied erklären?Unter Verwendung der Quelle: “World Energy Outlook 2012”, International Energy Agency IEA (2012%


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Fakten zur Sonnenenergie

%?bersichtsgrafik:Schematische Darstellung des Energieflusses von der Sonne zur Erde: Wie viel Energie produziert die Sonne und wie viel davon kommt auf der Erdoberfläche an?Die Sonne ist der Hauptenergielieferant der Erde, sie liefert etwa 99,98 % des gesamten Energiebeitrags zum Erdklima. Welch großes Potenzial in der technischen Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle steckt, wird dadurch deutlich, dass der derzeitige Weltenergieverbrauch nur 0,006 % der eingestrahlten Sonnenenergie beträgt. Die Grafik gibt einen Überblick über die von der Sonne abgestrahlten und auf der Erde ankommenden Energiemengen. Zu beachten ist, dass die von der Sonne eingestrahlte Energie letztlich zu 100 % wieder von der Erde zurück in den Weltraum abgestrahlt wird. Die Energiebilanz der Erde ist in allen Ebenen von der Erdoberfläche bis zum Weltraum ausgeglichen. Doch Achtung: Ein minimaler Bruchteil der eingestrahlten Energie wird durch die Photosynthese (ca. 0,1 %) oder durch menschliche Aktivitäten (ca. 0,005 %) gespeichert und verbleibt längerfristig auf der Erde.Hinweise und Ideen:Um die Anschaulichkeit zu erhöhen, sind hier die Größenverhältnisse von Sonne und Erde nicht maßstabsgetreu umgesetzt. Es ist berücksichtigt, dass letztlich 100 % der eingestrahlten Energie wieder ins Weltall zurückgestrahlt werden%


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Chemische Energie

Diagramm: Chemische Energie als Bindungsenergie zwischen Atomen in der Darstellung als Potenzialkurve.Sowohl in der Bindung von Atomen und Molekülen als auch in der Möglichkeit (Potenzial) zur chemischen Bindung steckt chemische Energie. Diese kann bei der Bildung oder beim Zerfall der Bindungen in Form von Wärme frei werden. Diese “Reaktionswärme” wird auch als Reaktionsenthalpie (H) bezeichnet. Wird Wärme frei (dH < 0), so spricht man von einer exothermen Reaktion, wird Wärme 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 lässt - sei es im menschlichen Körper oder in Batterien und Akkus. Ein weiteres Beispiel ist Wasserstoff als chemischer Energiespeicher für regenerative Energien.


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Strahlungsenergie

Diagramm:Formeln für 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 Feldstärke. Elektromagnetische Wellen hoher Frequenz und damit Energie haben Teilchencharakter. Die Energie dieser Teilchen ist proportional zur Frequenz bzw. umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge. Der Proportionalitätsfaktor ist das Planck’sche Wirkungsquantum h. Dass Strahlungsenergie quantisiert sein muss, fand Max Planck bei der Untersuchung der Strahlung schwarzer Körper. Er formulierte ein Strahlungsgesetz, das aber erst durch Einsteins Postulat von den Lichtquanten erklärt werden konnte. Zahlenbeispiel für die Planck’sche Strahlungsformel:Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von 5.800 K, die damit verbundene Strahlungsleistung ist nach der Planck’schen Strahlungsformel 3,85 x 1023 kW. Davon trifft nur ein sehr kleiner Anteil auf die Erde (bei senkrechtem Strahlungseinfall 1,37 kW/m²).Hinweise und Ideen:Strahlungsenergie kann vielfach in andere Energieformen umgewandelt werden: Beim Röntgen wird die Strahlungsenergie in chemische Energie verwandelt (Schwärzung des Fotofilms), Licht wird in der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt, ebenso Funkwellen in einer Antenne. Die Energie von Mikrowellen kann man zur Erwärmung von Speisen verwenden.


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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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