Energieumwandlungen in Natur und Technik
Das lernst du
- Ich unterscheide Energieformen.
- Ich beschreibe Energieumwandlungsketten.
- Ich wende den Energieerhaltungssatz an.
- Ich berechne die Lageenergie.
- Ich berechne die Bewegungsenergie.
- Ich berechne Wirkungsgrade.
- Ich erkläre, warum es keine Maschine ohne Verluste gibt.
- Ich vergleiche Kraftwerkstypen nach Wirkungsgrad und Emissionen.
- Ich beurteile Maßnahmen zum Energiesparen.
Merksätze
Lage-, Bewegungs-, Spann-, thermische, elektrische, chemische und Strahlungsenergie.
Die Form wechselt, die Menge nicht.
Jede Kette beginnt bei einer Quelle und endet bei Wärme.
Dazwischen steht das, was man nutzen will.
Energie geht nie verloren und entsteht nie neu.
Sie wird nur umgewandelt – und dabei zu einem Teil unbrauchbar.
E = m · g · h. Doppelte Höhe bedeutet doppelte Lageenergie.
E = ½ · m · v². Doppelte Geschwindigkeit bedeutet vierfache Energie – daher die Wucht bei hohem Tempo.
η = Nutzen : Aufwand, immer kleiner als 1. Der Rest wird zu Wärme, die sich nicht mehr nutzen lässt.
Am Ende jeder Kette steht Wärme bei Umgebungstemperatur.
Sie ist noch da, aber für nichts mehr zu gebrauchen.
Ein Kohlekraftwerk kommt auf etwa 40 %, ein Wasserkraftwerk auf über 85 %.
Der Unterschied liegt an der Wärme im Zwischenschritt.
Jede Umwandlung kostet. Wer eine Stufe der Kette weglässt – dämmen statt heizen, rollen statt bremsen – spart am meisten.
Selbst abfragen
Tippen dreht um, Wischen blättert.Leertaste dreht um, Pfeiltasten blättern.
So geht es – ein Beispiel je Aufgabenart
Rechne um: 1,5 km = ? m
- 1 km = 1000 m
- 1,5 · 1000 = 1500
- 1,5 km = 1500 m
Ergebnis: 1500 m
Rechne um: 2 min = ? s
- 1 min = 60 s
- 2 · 60 = 120
- 2 min = 120 s
Ergebnis: 120 s
Ein Apfel mit 0,2 kg fällt aus 0,2 m Höhe (g ≈ 10 N/kg, ohne Luftwiderstand). Wie schnell ist er unten? Berechne mit Einheit.
- Lageenergie oben = Bewegungsenergie unten: m · g · h = ½ · m · v²
- Die Masse kürzt sich: v² = 2 · g · h = 20 N/kg · 0,2 m = 4 m²/s²
- v = √4 m²/s² = 2 m/s
Ergebnis: 2 m/s
Ein Schlitten mit Kind (30 kg) startet in 10 m Höhe aus der Ruhe (g ≈ 10 N/kg). Unten sind es 2250 J Bewegungsenergie. Wie viel wurde zu Wärme?
- Energie bleibt erhalten: Lageenergie oben = Bewegungsenergie unten + Wärme
- E_lage = 30 kg · 10 N/kg · 10 m = 3000 J
- Wärme = 3000 J − 2250 J = 750 J
Ergebnis: 750 J
Typische Fehler – so sieht es falsch aus, so richtig
Aufwand 100 J, Nutzen 5 J → η = 100 : 5 = 20 = 2000 %
η = 5 J : 100 J = 0,05 = 5 %
Nutzen durch Aufwand – wenn mehr als 1 herauskommt, sind Zähler und Nenner vertauscht.
100 J zugeführt, 40 J genutzt → 60 J sind verloren
100 J = 40 J Nutzen + 60 J Wärme (nichts verloren, nur entwertet)
Energie verschwindet nie. Sie wird zu Wärme, die man nicht mehr nutzen kann – das ist etwas anderes.
m = 2 kg, v = 10 m/s: E = ½ · 2 · 2 · 10 = 20 J
E = ½ · 2 kg · (10 m/s)² = ½ · 2 · 100 = 100 J
In ½ · m · v² wird v quadriert. Doppelte Geschwindigkeit ist vierfache Energie.
Weiter lesen und ausprobieren – auf fremden Seiten
- PhET-Simulation (University of Colorado Boulder): Energieformen und Wärme (CC BY-NC 4.0 – nur verlinkt)
- PhET-Simulation (University of Colorado Boulder): Aggregatzustände (CC BY-NC 4.0 – nur verlinkt)
- PhET-Simulation (University of Colorado Boulder): Wellen auf einer Schnur (CC BY-NC 4.0 – nur verlinkt)
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