Einstieg: Vom Stausee bis zum Handy
Wenn du dein Handy am Abend einsteckst, kommt der Strom mit grosser Wahrscheinlichkeit zu einem guten Teil aus Wasserkraft. Irgendwo in den Alpen fliesst Wasser aus einem Stausee durch eine Druckleitung ins Tal, dreht eine Turbine, und am Ende leuchtet dein Display. Dazwischen ändert die Energie mehrmals ihre Form. Heute lernst du, solche Wege zu beschreiben und zu zeichnen.
Erklärung: Energieformen
Energie ist die Fähigkeit, etwas zu bewegen, zu erwärmen, zu beleuchten oder zu verändern. Man misst sie in Joule (J). Ein Joule ist wenig: Etwa so viel Energie brauchst du, um eine Tafel Schokolade (100 g) einen Meter hochzuheben.
| Energieform | steckt in | Beispiel |
|---|---|---|
| Lageenergie | einem Körper in der Höhe | Wasser im Stausee, Schlitten oben am Hang |
| Bewegungsenergie | einem bewegten Körper | fahrendes Velo, fliessendes Wasser |
| Spannenergie | einem gespannten oder verformten Körper | gespannter Pfeilbogen, Trampolin |
| elektrische Energie | elektrischem Strom | Strom aus der Steckdose |
| chemische Energie | Stoffen, die bei einer Reaktion Energie abgeben | Benzin, Holz, Nahrung, Akku |
| thermische Energie (Wärme) | warmen Körpern | heisser Tee, Heizkörper |
| Strahlungsenergie | Licht und Wärmestrahlung | Sonnenlicht |
Lageenergie, Bewegungsenergie und Spannenergie fasst man auch als mechanische Energie zusammen.
Energie wird umgewandelt
Energie entsteht nicht aus dem Nichts und verschwindet nicht. Sie wird von einer Form in eine andere umgewandelt. Ein Gerät, das Energie umwandelt, heisst Energiewandler.
- Eine Turbine wandelt Bewegungsenergie von Wasser in Bewegungsenergie der Welle um.
- Ein Generator wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um.
- Eine LED wandelt elektrische Energie in Strahlungsenergie (Licht) und Wärme um.
- Dein Körper wandelt chemische Energie aus der Nahrung in Bewegungsenergie und Wärme um.
Energieumwandlungsketten
Eine Energieumwandlungskette zeigt, wie die Energie Schritt für Schritt umgewandelt wird. Die Kästen enthalten die Energieformen, die Pfeile die Energiewandler.
Bei jeder Umwandlung entsteht auch etwas Wärme, die nicht genutzt wird. Darauf kommst du in der nächsten Lektion zurück.
Beispiele
Beispiel 1: Schlitteln Du ziehst den Schlitten den Hang hinauf. Die chemische Energie aus deinem Znüni wird in deinen Muskeln zu Bewegungsenergie und schliesslich zu Lageenergie von dir und dem Schlitten. Oben steigst du auf. Beim Hinunterfahren wird die Lageenergie in Bewegungsenergie umgewandelt. Durch die Reibung von Kufen und Schnee entsteht Wärme. Unten bremst du mit den Füssen: Die restliche Bewegungsenergie wird ebenfalls zu Wärme.
Beispiel 2: Velolicht mit Dynamo Chemische Energie (Nahrung) → Muskeln → Bewegungsenergie des Rades → Dynamo (ein kleiner Generator) → elektrische Energie → Lampe → Strahlungsenergie (Licht) und Wärme.
Beispiel 3: Solaranlage auf dem Schulhausdach Strahlungsenergie der Sonne → Solarzelle → elektrische Energie → Wärmepumpe oder Kochherd → thermische Energie. Hier gibt es keine bewegten Teile. Die Solarzelle wandelt Licht direkt in elektrische Energie um.
Merksatz
Energie tritt in verschiedenen Formen auf: Lage-, Bewegungs-, Spann-, elektrische, chemische, thermische und Strahlungsenergie. Energiewandler wandeln eine Form in eine andere um. Eine Energieumwandlungskette zeigt die Energieformen als Kästen und die Wandler an den Pfeilen.
Übungen
Grundlagen
- Nenne die Energieform: ein gespanntes Gummiband, eine Batterie, ein rollender Ball, ein Stein auf einem Felsvorsprung, ein warmer Ofen.
- Welche Energieumwandlung findet statt? Föhn, Mixer, Taschenlampe, Holzfeuer.
- Ergänze: Ein Generator wandelt … Energie in … Energie um.
Weiter
- Zeichne die Energieumwandlungskette für ein Laufwasserkraftwerk am Rhein. Beginne bei der Sonne, die Wasser verdunsten lässt.
- Zeichne die Kette für ein Elektroauto, das mit Strom aus einer Solaranlage geladen wurde.
- Warum wird ein Velo-Dynamo schwerer zu treten, sobald das Licht eingeschaltet ist?
Knobeln
- Auch die Lageenergie des Wassers im Stausee hat eine Vorgeschichte. Verfolge sie zurück bis zur Sonne.
- Ein Mitschüler sagt: „Beim Bremsen geht die Energie verloren.“ Formuliere die Aussage physikalisch korrekt.
Lösungen
- Gummiband: Spannenergie. Batterie: chemische Energie. Rollender Ball: Bewegungsenergie. Stein: Lageenergie. Ofen: thermische Energie.
- Föhn: elektrische Energie in thermische Energie und Bewegungsenergie der Luft. Mixer: elektrische Energie in Bewegungsenergie (und Wärme). Taschenlampe: chemische Energie der Batterie in elektrische Energie, dann in Strahlungsenergie und Wärme. Holzfeuer: chemische Energie in thermische Energie und Strahlungsenergie.
- Ein Generator wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um.
- Strahlungsenergie der Sonne → (Verdunstung) → Lageenergie des Wasserdampfs in der Höhe → (Niederschlag, Bäche) → Bewegungsenergie des Rheins → Turbine → Bewegungsenergie der Welle → Generator → elektrische Energie.
- Strahlungsenergie → Solarzelle → elektrische Energie → Ladegerät → chemische Energie im Akku → Akku → elektrische Energie → Elektromotor → Bewegungsenergie des Autos.
- Ist das Licht an, fliesst Strom. Der Dynamo muss dann elektrische Energie liefern, die aus der Bewegungsenergie des Rades stammt. Diese Energie musst du zusätzlich mit den Beinen aufbringen.
- Die Sonne erwärmt Meere und Seen, Wasser verdunstet und steigt als Wasserdampf auf. Er kondensiert zu Wolken, fällt in den Alpen als Regen oder Schnee und sammelt sich im Stausee. Die Lageenergie stammt also letztlich aus der Strahlungsenergie der Sonne.
- Die Energie geht nicht verloren. Beim Bremsen wird Bewegungsenergie durch Reibung in thermische Energie umgewandelt. Bremsklötze und Felgen werden warm. Diese Wärme verteilt sich in der Umgebung und lässt sich kaum mehr nutzen.