11 Kreisprozesse - asset.klett.de · (S.193) Exkurs Perpetuum mobile Lernziele SuS interpretieren den Begriff „Perpetuum mobile“ physikalisch. SuS formulieren zwei unter-schiedliche

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Kommentar Das Kapitel beginnt mit einer Energiebetrachtung. Eine Menge komprimierten Gases enthält Energie. Druck kann auch als Energiedichte gedeutet werden. Die Darstellung verrichteter Arbeit bzw. übertragener Energie durch eine Fläche wird wieder aufgegriffen und auf V-p-Diagramme ausgeweitet. Die Möglichkeit, durch Expansion eines Gases Arbeit zu verrichten, wird in einfachen Freihandversuchen demonstriert. Die Expansion kann durch Temperaturerhöhung erfolgen, was auf die Nutzung von thermischer Energie führt. Der Wunsch nach kontinuierlicher Nutzung führt auf den Kreisprozess. An einem einfachen Modell eines

Heißluftmotors werden die grundsätzlichen Schritte „heizen“ und „kühlen“ geklärt. Zur Beurteilung der Qualität einer Maschine wird der Wirkungsgrad be-trachtet. Der Rückgriff auf das Teilchenmodell und Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen liefern eine neue Sichtweise auf den Aspekt der Energieentwertung.

Lösung der EinstiegsfrageVerbrennungsmotoren stoßen Schadstoffe aus ( CO 2 , NO x , Feinstaub), was in Ballungsräumen zur Über-schreitung von Grenzwerten für die Luftreinhaltung führen kann.

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(S.186) 11.1 Druck und Energie

Lernziele SuS verknüpfen die Größen Druck und Energie. SuS beschreiben die Nutzung thermischer Energie im Energietransportdiagramm. SuS beschreiben Energie im V-p-Diagramm.

Begriffe Energiedichte, Expansion

Hinweise/Kommentar Unter dem Stichwort „Druckluftauto“ finden sich interessante Beispiele im Internet.

Einstieg Das abgebildete Fahrzeug kann von SuS selbst gebaut werden.

VersucheimSchulbuch V1 Ein aufgeblasener Ballon wird durch die ausströmende Luft beschleunigt. Durch einen „Leitfaden“ kannst du ihn auf eine gerade Bahn zwingen.

V2 Mit Hilfe einer Pumpe lässt sich in dem Gefäß in nebenstehender Abbildung der Druck erhöhen. Öffnet man den Hahn in der Verbindung mit dem Kolben, so bewegt sich der Kolben und kann ein Gewichtsstück heben. Dabei sinkt der Druck der Luft im Gefäß.

V3 Tauche die Kugel mit Spritze in heißes Wasser. Der Kolben hebt sich.

WeitereVersuche V4 Thermische Energie wird genutzt: Weihnachtspyramide (a), Modell einer Dampf-maschine (b)

Draht(2 – 3 m)

Luft 20 °C 40 °C

a) b)

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LösungenderAufgaben A1 0 Wenn ein Nagel ins Holz eindringt, wirkt Kraft längs eines Weges, d. h. es wird Arbeit verrichtet. Weitere Beispiele: Presslufthammer, Schlagschrauber. Bei vielen Druckluftwerkzeugen steht der Kraftaspekt und nicht der Energieaspekt im Vordergrund.

A2 $ Energiedichte meint Energie pro Masse oder Energie pro Volumen. Beispiel eines Internet-Textes: „Energie ist unser Motor. Damit er richtig läuft, essen und trinken wir. Allerdings neigen wir dabei zum Übertreiben - und kriegen prompt die Quittung: Speckröllchen. Denn im Körper geht keine Energie verloren. Was wir zu viel essen, wird als Fett gespeichert.“ Beispiel: Etikett eines Müsli-Riegels

Hinweis: Energiedichte wird bei Lebensmitteln auch als Nährwert bezeichnet. Als Energie-einheit wird häufig noch die alte Einheit „1 kcal“ angegeben.

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(S.188) 11.2 Kreisprozesse

Lernziele SuS beschreiben den prinzipiellen Ablauf eines Kreisprozesses. SuS beschreiben die Funktion eines Heißluftmotors.

Begriffe Kreisprozess, Wärmekraftmaschine

Hinweise/Kommentar Für den Heißluftmotor wird ein extrem einfaches und durchsichtiges Modell verwendet

Einstieg Heißluftmotoren gehören kaum zur Alltags-welt der SuS. Bei dem gezeigten Modell genügt die Handwärme zum Betrieb.

VersucheimSchulbuch V1 Tauche eine Kugel mit Spritze abwech-selnd in heißes und kaltes Wasser. Der Kolben bewegt sich im Wechsel auf und ab. Die Temperatur des kalten Wassers steigt.

V2 In einer Plastikflasche ohne Boden befindet sich ein Zylinder aus Styropor, an dem ein Eisenstück befestigt ist, so dass er von außen mit einem Magnet auf und ab bewegt werden kann. Die Flasche taucht unten in heißes Wasser. Der Kolben in einer angeschlossenen Spritze hebt sich, wenn das Styroporstück oben ist, er senkt sich, wenn das Styroporstück unten ist.

V3 Ein Peltierelement befindet sich zwischen einer Schale mit heißem Wasser und einer Schale mit Eiswasser. Ein ange-schlossener Elektromotor läuft. Die Tem-peratur des heißen Wassers nimmt ab, die des kalten Wassers steigt. Der Motor bleibt schließlich stehen, wenn kein ausreichender Temperaturunterschied mehr besteht.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:– Heißluftmotor: Thermische Energie wird genutzt (en_s1_ab_006)– Wärmekraftwerk (en_s1_ab_007)

Animationen/Simulationen: – Heißluftmotor (en_s1_si_020)– Viertakt-Motor (en_s1_si_023)

20 °C 40 °C

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LösungenderAufgaben A1 0 Während des Betriebs erwärmt sich das Gehäuse und die Kugeln im Inneren. Es gibt schließlich keine Temperaturdifferenz mehr. Auch im Backofen versagt die Kühlung durch die Umgebungsluft.

A2 $ Im Kreisprozess kann die thermische Energie nicht vollständig in andere Energie-formen überführt werden. Der übrig gebliebene Teil führt u. a. zur Erwärmung des Motor-gehäuses und damit auch der Kühlerhaube.

A3 $ Man misst die Temperaturerhöhung ð h für eine bestimmte Masse ð m des Kühl-wassers. Aus ð E = c W · ð m · ð h ergibt sich der gewünschte Wert. Dabei ist c W die spezi-fische Wärmekapazität von Wasser.

(S.190) Methode Mathematisieren Arbeitsdiagramm und Wirkungsgrad

Lernziele SuS beschreiben die prinzipielle Funktion einer Wärmekraftmaschine in einem Energietrans-portdiagramm.SuS beschreiben den Carnot’schen Kreisprozess im V-p-Diagramm und erläutern die Existenz eines maximalen Wirkungsgrades. SuS geben die Gleichung für den maximal möglichen Wirkungsgrad an.

Begriffe Wirkungsgrad

Hinweise/Kommentar Die Aussagen zum Wirkungsgrad werden auf verschiedenen Abstraktionsebenen gewonnen:1. Die Bedeutung der Temperaturen wird im V-p-Diagramm plausibel gemacht und die

Formel mitgeteilt.2. Die Flächen im V-p-Diagramm werden abgeschätzt und auf dieser Basis die Formel

„ hergeleitet“.Das Curriculum verlangt die Herleitung der Formel nicht, formuliert aber auch: „Die Physik unterscheidet sich von den anderen Naturwissenschaften unter anderem durch ihren höhe-ren Grad der Mathematisierung.“ Hier wird deutlich, dass die genaue quantitative Aussage über den maximalen Wirkungsgrad nur mit mathematischen Mitteln auf der Basis einer Theorie gewonnen werden kann. Im Unterricht muss deutlich werden, in welchem Maß die mathematischen Schritte letztlich beurteilungsrelevant sind.

(S.191) Methode Experimentieren Wirkungsgrade

Lernziele SuS führen Experimente nach Anleitung durch. SuS festigen den Begriff Wirkungsgrad.

Begriffe Keine neuen

Hinweise/Kommentar Station¯: Im linken Bild wird das Seil über eine Stange geführt, sodass deutlich Reibung auftritt. Der Effekt lässt sich evtl. deutlicher zeigen, wenn man statt Gewicht 1 mit einem Kraftmesser zieht.Bei zwei Rollen ist der Reibungseffekt deutlicher und man muss zusätzlich zum Gewichts-stück 2 auch die lose Rolle heben.

Station¯¯: Die Stromstärke ändert sich bei unterschiedlicher Belastung. E zu = U · Ø · t, E nutz = m · g · h.Für Elektromotoren gibt es verschiedene Wirkungsgradklassen (IE1 bis IE4). Seit 16. Juni 2011 dürfen ungeregelte Motoren (0,75 – 375 kW) nur noch ab Leistungsklasse IE2 (g > 94 %) in Verkehr gebracht werden. Die Wirkungsgrade von Experimentiermotoren sind deutlich geringer. Station¯¯¯: ð E th = c W · m · ð h mit c W = spez. Wärmekapazität von Wasser, m = Masse des Wassers, ð h = Temperaturerhöhung

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Station¯V: Die Energie wird durch eine Fläche unter dem V-p-Graphen dargestellt, im Bild gibt der Inhalt der von der blauen Kurve und der V-Achse die insgesamt zuge-führt Energie an. Man muss den Flächen-inhalt in den durch die Achsen vorgege-benen Einheiten ermitteln (z. B. durch Käst-chen zählen). Die grau markierte Fläche gibt die Nutzenergie an. Für die Bestimmung des Wirkungsgrades genügt es, das Verhältnis der beiden Kästchenzahlen zu ermitteln.

Material Kopiervorlagen Lernzirkel: – Wirkungsgrade (en_s1_lz_006))

(S.192) Exkurs Ordnung und Unordnung

Lernziele SuS festigen ihre Kenntnis vom Teilchenmodell. SuS unterscheiden zwischen der ungeordne-ten und der geordneten Teilchenbewegung. Sie begründen die „Unmöglichkeit“ bestimmter Vorgänge mit Wahrscheinlichkeitsargumenten.

Begriffe ungeordnete und geordnete Teilchenbewegung, Wahrscheinlichkeit

Hinweise/Kommentar Bezüglich des Begriffs „Wahrscheinlichkeit“ ist Abstimmung mit dem Mathematikunterricht sinnvoll.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter: – Spiel zur ungeordneten Teilchenbewegung (en_s1_ab_008)

LösungenderAufgaben A1 0 Die Wahrscheinlichkeit im Lotto 6Richtige zu treffen, liegt bei 1:13983816 (aus dem Internet). Das ist gleich 7,2 · 10 – 8 und damit also wesentlich größer als die im Schülerband berechnete Wahrscheinlichkeit w 100 .

(S.193) Exkurs Perpetuum mobile

Lernziele SuS interpretieren den Begriff „Perpetuum mobile“ physikalisch. SuS formulieren zwei unter-schiedliche „Unmöglichkeitsaussagen“.

Begriffe Perpetuum mobile erster und zweiter Art

Hinweise/Kommentar Es gibt viele Vorschläge für die Konstruktion eines Perpetuum mobile (Rechercheaufgabe). Die Aufklärung ist nicht immer einfach.

LösungenderAufgaben A1 0 Das Prinzip der Energieerhaltung begründet die gleiche Höhe auf der linken und rechten Seite. Die Bahn auf der rechten Seite wird beliebig lang, wenn der Neigungswinkel beliebig klein wird. Dann müsste die Kugel ewig rollen, sofern keine Reibung vorliegt.

A2 0 Zwei Körper unterschiedlicher Temperatur sind in Kontakt. Energie geht vom wärmeren zum kälteren über. Der zunächst wärmere kühlt sich ab, der kältere erwärmt sich.

p in hPa

V in cm3

1000

500

0200 350250 300

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(S.194) 11.3 Effiziente Energienutzung

Lernziele SuS argumentieren physikalisch. SuS wenden Physik zur Lösung alltagsrelevanter Probleme an.

Begriffe Kraft-Wärme-Kopplung, Gegenstromprinzip

Hinweise/Kommentar Die Frage der Effizienz der Energienutzung richtet sich an die Technik. Sie relativiert den Begriff „Nutzen , der sich letztlich aus der individuellen Situation definiert.

Einstieg Der Einstieg greift Gedanken zum Thema „Geschichte der elektrischen Beleuchtung“ auf und problematisiert den Begriff „ Nutzen“.

VersucheimSchulbuch V1 Tauche eine Glühlampe (12 V, 40 W) so in ein Glas mit 300 g Wasser, dass die Fassung nicht mit dem Wasser in Berührung kommt. Miss Spannung, Stromstärke und alle 30 Sekunden die Temperatur des Wassers. Es ergibt sich für U = 12 V, Ø = 3,3 A.

tins 0 30 60 90 120 150

hin°C 18 18,8 19,5 20,4 21,3 22

V2 Gib dem Vorderrad eines Fahrrades mit der Hand einen Schwung. Zähle die Um-drehungen bis zum Stillstand. Vergleiche folgende Fälle:a) Ohne Dynamo.b) Mit Dynamo, Lampe leuchtet nicht. c) Mit Dynamo, Lampe leuchtet.Mit einem Nabendynamo ist a) nicht realisierbar. Im Fall c) kommt das Rad am schnellsten zur Ruhe.

V3 Baue aus Styroporplatten eine Box, in die ein Mensch passt. Begib dich mit einem Thermometer für 5 Minuten in die Box und schließe sie, sorge aber für ausreichende Luftzufuhr. Beobachte das Thermometer. Die Temperatur steigt.

U = 12 V

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WeitereVersuche V4 (Alternative zu V3) Isolierung beim Hausbau: Man belegt die Wände eines Kartons mit Styroporplatten, stellt eine Tasse mit heißem Wasser hinein und ver-schließt den Kasten. Die Temperatur wird in 5-Minuten-Abständen gemessen. Zum Vergleich wird der Versuch ohne Styropor-platten durchgeführt.

V5 Man ermittelt die Zeit, die ein Tauch-sieder braucht, um 2 l Wasser zum Sieden zu bringen. Der Versuch wird zum Vergleich einmal mit und einmal ohne Deckel auf dem Wassergefäß durchgeführt. Die umgesetzte elektrische Energie wird jeweils berechnet.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter: – Energie im Haushalt (en_s1_ab_009)

LösungenderAufgaben A1 0 Wenn man thermische Energie und Strahlungsenergie als Nutzenergie deutet und keine weiteren Energieformen auftreten, ist die Aussage korrekt.

A2 $ In 150 s steigt die Temperatur von 300 g Wasser um 4 K. Dazu ist die Energie ð E therm = 4,2 kJ/(kg K) · 0,3 kg · 4 K = 5,04 kJ = 5 040 J erforderlich. Die aufgewandte elektrische Energie ist ð E el = 12 V · 3,3 A · 150 s = 5 940 J. Der Differenzbetrag von 900 J steht maximal für die Lichtenergie zur Verfügung. Der Wirkungsgrad für die Be-leuchtung ist daher höchstens g = 900 J/5 940 J = 0,15 = 15 %.

A3 $ Die warme Abluft durchströmt das rotierende Gitter und gibt an das Gitter Energie ab. Dessen Temperatur steigt. Die Luft kühlt sich ab. Die kalte Zuluft durchströmt das er-wärmte Gitter. Dieses gibt Energie an die kalte Luft ab. Die Temperatur des Gitters nimmt ab. Die erwärmte Luft strömt weiter. Insgesamt wird durch das rotierende Gitter Energie von der warmen Abluft auf die kalte Zuluft übertragen.

A4 $ a) Im Energietransportdiagramm beschreiben die grünen Pfeile die Nutzenergie. Sie sind nach dem 2. Schritt für beide Fälle gleich breit und jeweils schmaler als die grünen Pfeile nach dem ersten Schritt. Das bedeutet: Der Gesamtwirkungsgrad ist in beiden Fällen gleich, er ist kleiner als jeder der Einzelwirkungsgrade.

b) In beiden Fällen wird im 1. Schritt die gleiche Energie E zu zugeführt. Es gilt für Fall 1: E Nutz1 = E zu · g 1 Fall 2: E Nutz1 = E zu · g 2

Im 2. Schritt wird E Nutz1 zugeführt, damit wird E Nutz2 imFall 1: E Nutz2 = E Nutz1 · g 2 = E zu · g 1 · g 2 Fall 2: E Nutz2 = E Nutz1 · g 1 = E zu · g 2 · g 1

Der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt der Einzelwirkungsgrade.

Styropor-platten

ThermometerKarton

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(S.197) Rückblick Lösungen der Teste-dich-selbst-Aufgaben:

Fachwissen:wahr: 2, 3; 4, 6falsch: 1, 4, 5, 7

Kommunikation:THERMISCH, CARNOT, GASMENGE, DRUCK, WIRKUNGSGRAD, DIAGRAMM, EXPANDIERENLösungswort: ENERGIE

Erkenntnisgewinnung:A1, A6, B1, B3, B4, C1, C2, D1, D2, D5

Bewerten:dafür: 1, 3, 4dagegen: 2, 5

(S.198) Rückblick Lösungen der Trainingsaufgaben:

A1 $ a) g = 932 K − 363 K

______ 923 K

= 0,61 = 61 %b) – niedrige Temperatur senken: Zähler wird größer, Nenner bleibt ⇒ g wächst– hohe Temperatur erhöhen: Zähler wird größer, Nenner wird größer ⇒ Beispiele zeigen,

dass g wächst:

Rechnung: Annahme T 2 + ð T − T 1 __

T 2 + ð T >

T 2 − T 1 _ T 2

⇔ T 2 2 + T 2 · ð T − T 1 · T 2 > T 2

2 + T 2 · ð T − T 1 · T 2 − T 1 · ð T

⇔ 0 > − T 1 · ð T

T 1 und ð Tsind positiv, damit ist die letzte Aussage wahr und die Annahme ist richtig.

– Differenz beibehalten, untere Temperatur senken: Zähler bleibt gleich, Nenner wird kleiner ⇒ g wächst.

– Differenz beibehalten, obere Temperatur steigern: Zähler bleibt, Nenner wächst ⇒ g nimmt ab.

c) Es ist g = E Nutz / E zu , dabei ist E zu die der Maschine zugeführte Energie und E Nutz die für den jeweiligen Zweck gewünschte.E Nutz wird einem Reservoir mit der Temperatur T 2 entnommen und E Verlust einem Reservoir mit der niedrigeren Temperatur T 1 zugeführt.

A2 . a) A → B: Das Volumen wird verkleinert, Energie wird zugeführt.B → C: Der Druck wird erhöht, Energie wird zugeführt.C → D: Das Gas dehnt sich aus, es verrichtet Arbeit, Energie wird abgeführt.D → A: Der Druck wird erniedrigt, Energie wird abgeführt.b) Die Fläche beschreibt die vom Gas verrichtete Arbeit bzw. die abgegebene Energie. Ihr Betrag ist A= 0,000 2 m 3 · 10 5 Pa = 20 Jc) Der Wirkungsgrad kann durch Vergleich von Flächen ermittelt werden. Nutzenergie = Fläche ABCD, aufgewandte Energie: Rechteck zwischen CD und V-Achse. Dies ergibt g = 0,5 = 50 %.

A3 . Es gilt: ð E therm = c Wasser · m Wasser · ð T ⇒ m Wasser = ð E therm _____

c Wasser · ð T

m Wasser = 600 · 10 6 J

_______ 4 190

J ___

kg · K ·4 K

= 3,6 · 10 4 kg = 36 t

Pro Sekunde müssen 36 t bzw. 36 m 3 Kühlwasser strömen.

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A4 $ a) Die Summe der abgeführten Energie muss gleich der zugeführten Energie sein, d. h., die Prozentzahlen an den Ausgangspfeilen müssen 100 % ergeben: 32 % + 9 % + 9,5 % + 49,5 % = 100 %Das Diagramm entspricht dem Energieerhaltungsprinzip.b) Ein Swimmingpool stellt eine Steigerung des Wohnkomforts dar. Unabhängig von der Art der Energieversorgung wird für seine Heizung ein bestimmter Energiebetrag benötigt. Möglicherweise sind bei der vorliegenden Art der Energieversorgung die Kosten dafür ver-gleichsweise gering.Ein physikalisches Argument ergibt sich aus folgender Überlegung: Der Swimmingpool ( sofern außen) ist dann in Betrieb, wenn die Heizung des Hauses weniger benötigt wird. Der Betrieb des Swimmingpools würde also zu einer gleichmäßigeren Energieabnahme führen. Der Swimmingpool würde im Sommer wie die Heizung im Winter Kühlfunktion für das Kraft-werk übernehmen. Im Sommer müsste das sonst anderweitig geschehen.

A5 $ a) g = 853 K − 293 K

______ 853 K

= 0,66 = 66 %

Als Umgebungstemperatur wurden 20 °C angenommen.

b) g = 853 K − 373 K

______ 853 K

= 0,56 = 56 %

Man will die „Verlustenergie“ für Heizzwecke nutzen, d. h., als Nutzenergie betrachten, sodass insgesamt evtl. ein höherer Wirkungsgrad herauskommt.

A6 0 Der Gesamtwirkungsgrad kann nicht größer sein als der des Kraftwerkes. Rechnerisch ergibt sich: g = 0,45 · 0,9 = 0,41

A7 0 Beim Wirkungsgrad von 36 % muss die Leistung 320 · 100/36 MW = 889 MW zugeführt werden. Es gilt: 1 MW = 1 MJ/s. In einer Stunde muss also die Energie 889 MJ/s · 3 600 s = 3 200 400 MJ zugeführt werden. Dafür sind (3 200 400/21) kg ≈ 152 000 kg Braunkohle bzw. (3 200 400/41) kg ≈ 78 000 kg Öl bzw. (3 200 400/38) kg ≈ 84 000 kg Erdgas erforderlich.

A8 $ a) Energienutzung verbraucht Ressourcen (Kohle, Öl, Gas) und erzeugt Schadstoffe, die in die Umwelt eintreten.b) Das macht nur Sinn, wenn der Gesamtwirkungsgrad der Kette Kraftwerk-Auto größer ist als der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors alleine oder wenn die elektrische Energie aus regenerativen Energien (Sonne, Wind, Wasser) bereitgestellt wird.

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Innere Energie wird genutzt

Die Heißluftmaschine An einer drehbaren Scheibe (1) ist ein Reagenzglas (2) befestigt. Sein rechtes Ende (B) ist an den Kolben eines Pneumatikbausteins (6) gebunden. In dem Reagenzglas liegen einige Murmeln (7). Das Reagenzglas ist mit einem durchbohrten Stopfen (3) versehen. Ein Schlauch (5) führt von dem Loch zu dem Pneumatikbaustein; die Abdichtung (4) besteht aus Knetgummi. Wenn man das linke Ende (A) mit einem Brenner erhitzt, wippt das Reagenzglas fortwährend auf und ab.

A1 Gib eine Erklärung für die Bewegung des Reagenzglases. Bringe dazu die folgenden Erklärungsbausteine in die richtige Reihenfolge und ergänze die fehlenden Teile: Luft kühlt sich bei B ab • Kolben bewegt sich nach oben • Murmeln rollen von A nach B • Luft dehnt sich aus • B geht nach oben, A nach unten • Murmeln verdrängen die heiße Luft von A nach B • Luft wird bei A erwärmt • Murmeln verdrängen die kalte Luft von B nach A:

AistobenundBistunten • LuftwirdbeiA …

A2 Welche Funktion haben die Murmeln? Warum ist es so wichtig, dass die Glaswand bei B kalt ist?

A3 Ersetzt man das Reagenzglas durch ein gleich geformtes Kupferrohr, funktioniert die Heißluftmaschine nicht. Begründe dies.


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Innere Energie wird genutzt – Lösung

Die Heißluftmaschine An einer drehbaren Scheibe (1) ist ein Reagenzglas (2) befestigt. Sein rechtes Ende (B) ist an den Kolben eines Pneumatikbausteins (6) gebunden. In dem Reagenzglas liegen einige Murmeln (7). Das Reagenzglas ist mit einem durchbohrten Stopfen (3) versehen. Ein Schlauch (5) führt von dem Loch zu dem Pneumatikbaustein; die Abdichtung (4) besteht aus Knetgummi. Wenn man das linke Ende (A) mit einem Brenner erhitzt, wippt das Reagenzglas fortwährend auf und ab.

A1 Gib eine Erklärung für die Bewegung des Reagenzglases. Bringe dazu die folgenden Erklärungsbausteine in die richtige Reihenfolge und ergänze die fehlenden Teile: Luft kühlt sich bei B ab • Kolben bewegt sich nach oben • Murmeln rollen von A nach B • Luft dehnt sich aus • B geht nach oben, A nach unten • Murmeln verdrängen die heiße Luft von A nach B • Luft wird bei A erwärmt • Murmeln verdrängen die kalte Luft von B nach A:

AistobenundBistunten • LuftwirdbeiA erwärmt • Luftdehntsichaus •

Kolbenbewegtsichnachoben • Bgehtnachoben,Anachunten •

MurmelnrollenvonBnachA • MurmelnverdrängendieheißeLuft

vonAnachB • LuftkühltsichbeiBab • Luftziehtsichzusammen •

Kolbenbewegtsichnachunten • Bgehtnachunten,Anachoben •

MurmelnrollenvonAnachB • MurmelnverdrängenkühleLuftvon

BnachA • LuftwirdbeiAerwärmt… A2 Welche Funktion haben die Murmeln? Warum ist es so wichtig, dass die Glaswand bei B kalt ist?

DieGlaswandbeiBmusskaltsein,damitdieheißeLuft,dievonAdurchdie

MurmelnnachBverdrängtwird,dortabkühlenkann.NursokannderKolben

wiedernachuntengelangen. A3 Ersetzt man das Reagenzglas durch ein gleich geformtes Kupferrohr, funktioniert die Heißluftmaschine nicht. Begründe dies.

KupferisteinguterWärmeleiter.DeshalbwürdedasRohranderStelleB

raschheißwerden. Vgl.2.


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Wärmekraftwerke

A1 Markiere mit roter Farbe den Kreislauf des Dampfes und mit blauer Farbe den Kühlkreislauf. A2 Erläutere Vor- und Nachteile eines Wärmekraftwerks, welches mit fossilen Brennstoffen betrieben wird!

A3 Erläutere mit Hilfe des Modells die Funktionsweise eines Wärmekraftwerks! Was fehlt im Modell?


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Wärmekraftwerke – Lösung

A1 Markiere mit roter Farbe den Kreislauf des Dampfes und mit blauer Farbe den Kühlkreislauf.

Dampfkreislauf Kühlkreislauf

A2 Erläutere Vor- und Nachteile eines Wärmekraftwerks, welches mit fossilen Brennstoffen betrieben wird!

DieLeistungvonKohlekraftwerkenistausgesprochengroß.Sokönnen

miteinemKohlekraftwerkbiszuzweiGroßstädtemitelektrischerEnergie

versorgtwerden.KohlekraftwerkegebenSchadstoffe andie Umweltab,

welchesichnurzumTeildurchFilteranlagenreduzierenlassen.

A3 Erläutere mit Hilfe des Modells die Funktionsweise eines Wärmekraftwerks! Was fehlt im Modell?

ImModellwirdineinemTeekesselWasser

miteinemGasbrennererwärmt.

ImWärmekraftwerkwirddurchVerbrenneneines

BrennstoffsWassererwärmt.DasWassergehtinden

gasförmigenZustandüber.DerWasserdampftreibtdie

Turbinean.ImModellfehltderKühlkreislaufmitKondensatorundKühlturm.


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Spiel zur ungeordneten Teilchenbewegung

A1 Die Abbildung zeigt ein Spielfeld mit 36 Feldern. Dazu fertigen wir noch 36 kleine Pfeile an. Die Felder sind durch eine waagerechte Nummerierung und eine senkrechte Nummerierung von jeweils 1 bis 6 gekenn-zeichnet. Wir legen auf jedes Feld einen Pfeil. Jedes Feld bedeutet ein Teilchen und die Pfeilrichtungen von 1 bis 6 zeigen die möglichen Bewegungsrichtungen dieses Teilchens an. Zu Beginn richten wir alle Pfeile auf eine Zahl, z. B. die Zahl 3, aus. Dies bedeutet eine geordnete Bewegung aller Teilchen und damit des Körpers. Mit zwei verschieden gefärbten Würfeln wählen wir jeweils ein Teilchen aus: – Ein Würfel gibt immer die waagerechte, – der andere Würfel immer die vertikale Feldnummer an. Mit einem zweiten Wurf eines Würfels wird dann die neue Richtung des Pfeiles angeben. Alle Änderungen erfolgen zufällig. Auch bei längerem Spiel ist es unwahrscheinlich, dass die Anfangsordnung zurückkehrt.


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Energie im Haushalt

A1 Überlege, wo im Haus das Risiko groß ist, dass Energie (Heizöl, Gas, Fernwärme, Strom) verschwendet wird. Ergänze dazu die genannten Möglichkeiten um jeweils 2 bis 3 weitere.

Fensterbereich alter Rollladenkasten

Dachbereich schadhaftes Dachfenster

Außenwandbereich Heizkörpernischen (dünne Wand),

Warmwasserbereich mangelhafte Rohrisolierung,

Heizungsbereich verrußter Heizkessel,

elektrische Geräte unnötiger Standby-Strom,

A2 Pro Jahr werden in Deutschland ca. 20 000 Mio. kWh für Standby-Geräte verbraucht. Die durchschnittliche Anschlussleistung eines Geräts liegt bei 20 W. a) Berechne, wie viele Kraftwerke von je 1 000 MW Leistung stillgelegt werden könnten, wenn es keine Geräte im Standby-Betrieb gäbe. Hinweis: 1 Jahr hat 8 760 Stunden.

b) Berechne, wie viele Standby-Geräte im Durchschnitt pro Haushalt vorhanden sind, wenn es 30 Millionen deutsche Haushalte gibt.


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Energie im Haushalt – Lösung

A1 Überlege, wo im Haus das Risiko groß ist, dass Energie (Heizöl, Gas, Fernwärme, Strom) verschwendet wird. Ergänze dazu die genannten Möglichkeiten um jeweils 2 bis 3 weitere.

Fensterbereich alter Rollladenkasten schadhaftesFensterglas,einfachverglastesFenster,schadhafterFensterrahmen

Dachbereich schadhaftes Dachfenster schadhafteAntennenrohrabdichtung,defekteZiegel,feuchteIsolierung

Außenwandbereich Heizkörpernischen (dünne Wand), einfachverglasteHaustüre,undichterBalkon,schadhafterVerputz

Warmwasserbereich mangelhafte Rohrisolierung, verkalkterBoiler,verkalkteRohre,liegenderBoiler stattaufrechtstehend

Heizungsbereich verrußter Heizkessel, schadhafterKamin,alterBrenner,mangelhafteWartung

elektrische Geräte unnötiger Standby-Strom, GlühlampenstattEnergiesparlampen,vereisterKühl‐ undGefrierschrank

A2 Pro Jahr werden in Deutschland ca. 20 000 Mio. kWh für Standby-Geräte verbraucht. Die durchschnittliche Anschlussleistung eines Geräts liegt bei 20 W. a) Berechne, wie viele Kraftwerke von je 1 000 MW Leistung stillgelegt werden könnten, wenn es keine Geräte im Standby-Betrieb gäbe. Hinweis: 1 Jahr hat 8 760 Stunden.

20 000Mio.kWh/8 760h 2,2831Mio.kW.Diesentsprichtetwa

2Großkraftwerken. b) Berechne, wie viele Standby-Geräte im Durchschnitt pro Haushalt vorhanden sind, wenn es 30 Millionen deutsche Haushalte gibt.

2,28Mio.kW / 30Mio. 76 W.76 W / 20 W 3,8 4.

EsgibtproHaushaltetwaswenigerals4Standby‐Geräte.


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Lernzirkel: Wirkungsgrade

Beim Lernen an den Stationen arbeitet ihr selbstständig in kleinen Gruppen an einzelnen Experimenten. Es gibt 4 Stationen:

Station

Thema der Station

Station bearbeitet? Ja/Nein

Zusatzaufgabe bearbeitet? Ja/Nein

1 Vergleich von Kraftwandlern

2 Der Elektromotor

3 Wasser erhitzen

4 Der Heißluftmotor

„Spielregeln“ 1. Ihr sollt mindestens acht Versuche bearbeiten. 2. Lest den Text sorgfältig durch und baut die Versuche nach Anweisungen/Abbildungen des Arbeitsblattes

auf. 3. Bearbeitet alle Aufgabenstellungen. Hilfen findet ihr im Buch. 4. Experimentiert vorsichtig mit den Geräten, sie sind empfindlich. 5. Wenn ihr die Versuche durchgeführt habt, müsst ihr sie so abbauen, dass die nachfolgende Gruppe von

vorne beginnen kann. 6. Kreuzt auf diesem Zettel die bearbeitete Station an und versucht, die zugehörige, unten stehende

Zusatzaufgabe zu bearbeiten (oben ankreuzen). Zusatzaufgaben zu den einzelnen Stationen: 1: – 2: Zeichne ein Energietransportdiagramm. 3: Zeichne ein Energietransportdiagramm. 4: –

Laufzettel


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Station 1 Vergleich von Kraftwandlern

Enutz: Höhenenergie des Gewichtsstücks 2 Wähle das Gewichtsstück 1 so, dass es nach leichtem Anstoßen das Stück 2 hochzieht. Bestimme den Wirkungsgrad. Zeichne für alle drei Fälle ein Energieflussdiagramm. Begründe, warum bei Verwendung gleicher Rollen der Wirkungsgrad mit zwei Rollen kleiner sein muss als mit einer.

Schülerbuch:

Zusatzaufgabe:

Station 2 Der Elektromotor

Enutz: Höhenenergie des Gewichtsstücks Beobachte die Stromstärke bei unterschiedlichen Gewichtsstücken. Bestimme den Wirkungsgrad. Untersuche mit verschiedenen Gewichtsstücken, ob es für den Motor einen optimalen Betriebszustand gibt. Informiere dich über die Wirkungsgrade von Elektromotoren.

Schülerbuch:

Zusatzaufgabe: Zeichne ein Energietransport- diagramm.


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Station 3 Wasser erhitzen

Enutz: Innere Energie des Wassers Kläre zunächst, welche Messungen erforderlich sind, um die Zunahme der inneren Energie des Wassers zu bestimmen. Führe dann mehrere Versuche durch. Lies jeweils die zugeführte elektrische Energie am Energiezähler ab. Bestimme den Wirkungsgrad. Entscheide, ob eine Mittelwertbildung sinnvoll ist. Formuliere Empfehlungen für energiesparendes Kochen.

Schülerbuch:

Zusatzaufgabe: Zeichne ein Energietransport- diagramm.

Station 4 Der Heißluftmotor

Enutz: Für Arbeit verfügbare Energie Das V-p-Diagramm wurde mit einer geeigneten Anordnung bei einem Heißluftmotor aufgezeichnet. Kläre zunächst, wie aus einem V-p-Diagramm eine Energie ermittelt werden kann. Gib an, welche Messungen und Rechnungen erforderlich sind, um den maximal möglichen Wirkungsgrad zu bestimmen.

Schülerbuch:

Zusatzaufgabe:

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11 Kreisprozesse - asset.klett.de · (S.193) Exkurs Perpetuum mobile Lernziele SuS interpretieren den Begriff „Perpetuum mobile“ physikalisch. SuS formulieren zwei unter-schiedliche