Arbeitsblatt: Energieumwandlung

INL3 WF Energie Grundwissen Die Vision der 2000-Watt-Gesellschaft sieht eine schrittweise Absenkung des kontinuierlichen Energiebedarfs auf 2000 Watt pro Person vor. Weil die fossilen Brennstoffe langsam knapp werden und die Bereitstellung elektrischer Energie nach Fukushima auf nachhaltige Energiequellen umgestellt wird, müssen wir mit weniger Energie pro Kopf und weniger Leistungsbezug pro Kopf auskommen. Effizienz, Suffizienz und Substitution erlauben die Absenkung von heute 6‘200W auf die Vision der 2000-Watt-Gesellschaft. Wir müssen unseren Leistungsanspruch also um das verringern. el. Leistung : 2 kW kontinuierlicher Leistungsbedarf/Person 2000 Watt: (1960 war CH 2000Watt Gesellschaft (ETHZ): ppt Effizienz/Suffizienz/Substitution) Um mit Profis im Projekt „Jugend und Energie erfolgreich zusammenarbeiten zu können, machen wir uns fit im Umgang mit Energie Arbeit sowie mit Leistung (Begriffe, Daten ablesen &berechnen). Gleichzeitig lernen wir physikalisch zu rechnen, wie das in allen technischen Berufen gemacht wird. Definitione Merksatz Formelbuchstab [Masseinheit] e Arbeit: Kraft die sichtbar, spürbar wirkt. Work : Energie: Arbeit die freigesetzt werden kann. Work : Leistung: Arbeit pro Zeiteinheit Energie pro Zeiteinheit Power : [J][Nm] [Wsec] [J][Nm] [Wsec] [W][ ][ Nm sec UMT_PH_9_085191_Energieumwandlung 2011-08-18 1/4 sec INL3 WF Energie Grundwissen Merksatz: Energie kann weder gewonnen noch vernichtet werden. Energie kann nur umgewandelt werden. Epot : potentielle Energie Ekin : kinetische Energie Ethm : thermische Energie Eel : elektrische Energie Efus : Fusions Energie Echem : chemische Energie Mögliche- E, Lage-E, Federspannungs-E Bewegungs-E, E- bewegter Maszen Verbrennungs-E, Wärme-E, Stoff-E, Bindungs-E Elektroenergie, Stromenergie Kernfusions-E Epot: Ekin: v2 Ethm: Eel: : Pel E: c2 2 Einsteinsche Formel 2 3H 4He n Berechne: Eine Stahlkugel von 100g fällt 51 Meter hinunter. Welche potentielle Energie war vor dem Fall in der Stahlkugel „gespeichert? Berechne: Beim Auftreffen derselben Stahlkugel auf dem Boden nach dem freiem Fall aus 51m hat sie welche Energie &welche Geschwindigkeit? Berechne: 100g Wasser (Teeglas) werden mit 50J erhitzt. Um wie viel steigt die Wassertemperatur? cH2O 4187 J/(kg·K) Berechne: Eine Taschenlampe mit 10W Leistung am „Birli brennt 5sec. 0.5kg Gemisch aus Deuterium Tritium gibt Helium Neutronen 0.5108 kWh Energie. Wieviel Wsec sind das? Epot: 0.19.8151[ 50 Nm Nachher: Körper in Bewegung oder Feder bewegt sich. Epot : Ekin 50Nm 50Nm v2E/m31m/sec Ethm: 4‘187 0.1 0.12 Ethm: 50.2J50.2Nm Nachher: neue Stoffe mit weniger Bindungs-E Eel: 10W 5sec Eel: 50Wsec 0.5108kWh 0.51011 Wh 0.51011 Wh301011 Wsec 31012Wsec 3TWsec Nachher: Körper in Bewegung mit „Crashenergie Terawattsekunden Nachher: Sichtbare Nachher: Neues Atom Stromwirkung mit mehr Kernteilen (Bewegung, Hitze, und enorme WärmeLicht, Magnet) abgabe. Wird eine Energie während einer bestimmten Zeit genutzt, heisst das Leistung. E/t [J/sec Nm/sec W] Begriffe, Formelbuchstaben, [Masseinheiten] und Massvorsilben UMT_PH_9_085191_Energieumwandlung 2011-08-18 3/4 INL3 WF Energie Grundwissen c: spez. Wärmekapazität Erdbeschleunigung c2: Quadrat von vLicht E: Energie :W: Arbeit G: Giga : 109 h: Höhe, Fallhöhe I: Strom m: Masze M: Mega : 106 P: Leistung T: Tera : 1012 Energie t: Zeit [sec] UMT_PH_9_085191_Energieumwandlung 2011-08-18 U: Spannung v: Geschwindigkeit 4/4 g: T: Temperatur [K] W: Arbeit : E: INL3 WF Energie Grundwissen Die Mathematik ist das Werkzeug der Physik. Vier Qualitäten sind für jeden Wert strikte zu beachten: Formelbuchstabe Zahlwert, Messwert Massvorsatz [Einheit] 2km Eine Strecke misst 2Kilometer, also 2000 Meter s 2 m 2km Eine Leistung ist 12‘356‘450‘812 Watt gross P in Kilowatt in Megawatt in Gigawatt in Terawatt 12‘356‘450‘812,5 12‘356‘450,812‘5 12‘356,450‘812‘5 12,3‘564‘508‘125 0.012‘3‘564‘508‘12 5 W W M T Physiker geben sich sehr genau Rechenschaft, wie genau ihre Werte sind und notieren die wissenschaftliche Schreibweise so, dass alle gesicherten Werte erscheinen plus der erste unsichere wissenschaftlich 1.2 1010 Aufgaben: 3 Ein Körper der Masse 100 kg wird von einem 100 hohen Turm fallen gelassen. Mit welcher Energie trifft der Körper auf der Erdoberfläche auf 4 Ein Meteor der Masse 1 kg schlägt auf die Erde mit einer Geschwindigkeit von v 15 km/s auf. Welche Energie wird dabei freigesetzt 5 Ein Bergsteiger ersteigt einen Berg der Höhe 2000m. Der Mann wiegt 75 kg. Welche Arbeit verrichtet er? 6 Im Haushalt wird ein 200Liter Warmwasserboiler elektrisch betrieben. Welche Energiezufuhr ist nötig, um das kalte Leitungswasser 10C auf 60C für ein ganzes Boilervolumen zu erhitzen. 7 Wieviel Energie pro volle Boilerladung kann gespart werden, wenn statt mit 60C nur mit 55C gefahren wird? 8 Ein Baumstamm soll 200 aus einem Waldstück geschleppt werden. Die für das Schleppen erforderliche Zugkraft beträgt 1000 N. Welche Arbeit wird verrichtet? 9 Der Staubsauger (1200Watt) wird während einer halben Stunde betrieben. Wieviel elektrische Energie wird dafür benötigt. 1 Was kostet das Staubsaugen aus Aufgabe 9., wenn der Strompreis dort vom 0 Energieanbieter mit 21 Rappen pro Kilowattstunde verrechnet wird? Physiker lösen Aufgabenstellungen (immer) in folgenden 7 Schritten: a) (Mess-)werte, welche zur Verfügung stehen. b) Formel(n), welche das Problem beschreiben. c) Grösse, auf welche gelöst werden muss. d) Algebraische Gleichung aufstellen und auf die gesuchte Grösse lösen. UMT_PH_9_085191_Energieumwandlung 2011-08-18 5/4 INL3 WF Energie Grundwissen a) e) Grössen einsetzen, kürzen, Richtigkeit der Gleichung kontrollieren. (falls die Grössengleichung physikalisch Unsinniges ergibt, zurück zu a) f) Werte in wissenschaftlicher Schreibweise und als Grundgrössen eintragen und berechnen. g) Fehler abschätzen/berechnen und das Resultat in wissenschaftlicher Form angeben. Aufgabe: 1 Aufgabe: 2 Wie hoch muss die Masze (500kg genau) Wie gross ist die spez. Wärmekapazität eines Rammbocks aufgezogen werden, dass von Wasser, wenn 37.683kJ Energie er beim fallen lassen auf den Pfahl für die benötigt wird für die Erhitzung von 1dl neue Schifflände eine Kraft von genau 10kN Teewasser (Teeglasfüllung) von (entspricht ca einer Tonne) ausübt und den Kaltwasser (8C) auf Siedetemperatur Eichenbalken in den Seegrund treibt? (Rothenthurm 98C). 10‘000Nm 1‘000J 500kg 5kg 9.81m/sec2 cH2O 4‘187 J/(kg·K) b) c) d) Epot: Ethm: Formel für potentielle Energie Formel für thermische Energie Fallhöhe Temperaturdifferenz Epot: :m :g Epot h mg Ethm: :c :m Ethm T cm Gleichungslösen (Nur Faktoren im Gleichungslösen (Schnellverfahren) Schnellverfahren) e) [Nmsec2] [kg m] [m] Grössentest auf physikalische Sinnhaftigkeit f) 4 [JkgK] [Jkg] [K Grössentest auf physikal. Sinnhaftigkeit 2 10 10 2.038 103 4.77610-2 51029.81 4.905 101 4.18751035 Berechnung mit wissenschaftl. Schreibweise Berechnung mit wissenschaftl. UMT_PH_9_085191_Energieumwandlung 2011-08-18 6/4 INL3 WF Energie Grundwissen Schreibw. g) (499