Energieumwandlung – Energieformen

Energieumwandlung – Energieformen Übung

• Nenne die Aussagen des Energieerhaltungssatzes.

  Tipps

  Versuche, von den dir bekannten Aussagen zum Energieerhaltungssatz darauf zu schließen, ob die anderen Aussagen wahr sein können.

  Was könnte der Name „Energieerhaltungssatz“ bedeuten?

  Bei einem abgeschlossenen System kann keine Energie nach außen entweichen oder von dort hinzukommen. Was kannst du dann über die Gesamtenergie sagen?

  Lösung

  Wenn du eine Aussage des Energieerhaltungssatzes kennst, dann kannst du mit ein wenig Nachdenken schnell auf die anderen Aussagen schließen.

  In einem abgeschlossenen System kann keine Energie von außen hinzukommen oder aus diesem entweichen.

  Wenn du nun schon weißt, dass Energie nicht aus dem Nichts erschaffen oder vollständig vernichtet werden kann, dann folgt:

  • In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtenergie konstant (also immer gleich).

  Es gibt allerdings unterschiedliche Energieformen. Diese können ineinander umgewandelt werden.

  Wir schließen: Die Gesamtenergie bleibt konstant, sie kann aber auf unterschiedliche Formen aufgeteilt und auch umgewandelt werden.

• Beschreibe, welche Energien ineinander umgewandelt werden.

  Tipps

  Welche Energieformen gibt es und welche haben einen Einfluss?

  Dem Pendel wird Lageenergie zugeführt, wenn es angehoben wird. Was ist ein anderer Begriff für Lageenergie?

  Im untersten Punkt ist das Pendel am schnellsten. Wie lautet der Begriff für die Energieform, die etwas mit Geschwindigkeit zu tun hat?

  Lösung

  Es gibt unterschiedliche Energieformen.

  Die potenzielle Energie wird auch Lageenergie genannt.
  Je höher du einen Körper hebst, desto größer ist seine potenzielle Energie. Hierbei zählt aber nur die senkrechte Höhe im Vergleich zur Ruhelage.

  Die kinetische Energie wird auch Bewegungsenergie genannt.
  Je schneller sich ein Körper bewegt, desto größer ist seine kinetische Energie.

  Wenn du die unterschiedlichen Energieformen kennst, kannst du die Bewegung betrachten.

  Wenn ein Pendel am höchsten Punkt angekommen ist, dreht es um. Es ändert also seine Richtung. Dazu muss es kurz stillstehen.
  Hier ist also die gesamte Energie als potenzielle Energie vorhanden.

  Wenn das Pendel ganz unten ist, ist es am schnellsten. Hier ist die Höhe null.
  Hier ist also die gesamte Energie als kinetische Energie vorhanden.

  Das Pendel schwingt weiter, bis es auf der anderen Seite wieder am höchsten Punkt ist. Hier entspricht die Gesamtenergie wieder der potenziellen Energie.

  Und so wiederholt sich das Ganze immer wieder.

• Erschließe, welche Formel den Energieerhaltungssatz beschreibt.

  Tipps

  Überlege, welche Aussagen mit dem Energieerhaltungssatz erfüllt werden.

  Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Gesamtenergie in einem geschlossenen System erhalten bleibt.

  Mit welchem Formelzeichen wird die Energie bezeichnet?

  Lösung

  Der Energieerhaltungssatz kann mit folgenden Sätzen in Worte gefasst werden:

  Energie kann weder aus dem Nichts erschaffen, noch endgültig vernichtet werden. Die Gesamtenergie eines geschlossenen Systems bleibt erhalten.
  Dabei kann die Energie zwischen verschiedenen Formen umgewandelt werden.

  Wie kann die Gesamtenergie gefunden werden? – Indem alle einzelnen Energieformen addiert werden. Und diese Gesamtenergie soll dann erhalten bleiben, das heißt gleich bleiben.

  Es folgt also:
  $E_{ges}=E_{kin}+E{pot}+...=konst.$

• Erkläre den Unterschied zwischen Idealvorstellung und Realität.

  Tipps

  Bastel dir selbst ein Fadenpendel. Was kannst du beobachten?

  Laut des Energieerhaltungssatzes müsste die Gesamtenergie erhalten bleiben. Was hieße das für das Pendel?

  Lösung

  Der Energieerhaltungssatz gilt nur für abgeschlossene Systeme.
  Dies ist ein System, welches keine Energie mit seiner Umwelt austauscht.

  Wenn wir Vorgänge aus unserer Umwelt betrachten, dann idealisieren wir diese meist. Sie werden dann auch Modellvorstellungen genannt.

  Dabei gehen wir davon aus, dass es sich um abgeschlossene Systeme handelt. Denn nur dann gilt der Energieerhaltungssatz.
  In der Realität wird jedoch meist Energie aufgrund von Reibung abgegeben.

  Du kannst es auch selbst ausprobieren.
  Bastel dir ein Pendel, indem du einen Stein oder eine kleine Kugel an einen Faden bindest.
  Wenn du das Pendel in einer gewissen Höhe loslässt, wirst du sehen, dass es mit jedem Durchlauf weniger hoch schwingt.

• Nenne verschiedene Energieformen.

  Tipps

  Überlege, welche umgangssprachlichen Begriffe für die Energieformen du kennst und wie der zugehörige Fachbegriff lauten könnte.

  Wenn Sonnenstrahlen auf deine Haut treffen, fühlen sie sich warm an. Das liegt an der Wärmeenergie, die durch die Sonne übertragen wird.

  In der Physik gibt es den Teilbereich Kinetik, welcher sich mit Bewegungen unter dem Einfluss innerer oder äußerer Kräfte beschäftigt.

  Lösung

  Es gibt viele Energieformen. Für diese gibt es neben den umgangssprachlichen Begriffen auch immer richtige Fachbegriffe.

  Wenn du deine Hände vor einen Kamin oder über einen Topf mit heißem Wasser hältst, dann werden sie warm. Das liegt an der Wärmeenergie.
  Diese wird auch thermische Energie genannt.
  Jeder Körper, der Wärme abgeben kann, enthält thermische Energie.

  Wenn ein Körper aufgrund seiner Bewegung mechanische Arbeit verrichten kann, dann enthält er Bewegungsenergie. Diese wird auch kinetische Energie genannt.

  Wenn ein Körper aufgrund seiner (erhöhten) Lage mechanische Arbeit verrichten kann, dann enthält er Lageenergie, welche auch potenzielle Energie genannt wird.

  Die Energie in einer gespannten Feder ist eine Sonderform der potenziellen Energie. Sie wird Spannenergie genannt.

  Dazu gibt es noch weitere Energieformen. Wichtige Energieformen sind hierbei chemische Energie, Kernenergie und die Energie, die in elektrischen und magnetischen Feldern gespeichert ist.

• Ermittle die Energie, die aufgrund von Reibung an die Umgebung abgegeben wurde.

  Tipps

  Welche Informationen benötigst du zum Lösen der Aufgabe?

  Ohne Reibung würde der Energieerhaltungssatz gelten. Was heißt das?

  Wenn der Ball keine Geschwindigkeit hat, dann entspricht die Gesamtenergie der potenziellen Energie. An welchen Punkten ist dies der Fall?

  Lösung

  Es sind nicht alle Informationen für die Lösung der Aufgabe wichtig.
  Somit solltest du zuerst herausfinden, welche Informationen benötigt werden.

  Frage dich dazu zuerst, was gesucht ist.
  Es ist diejenige Energie gesucht, die als Reibung an die Umgebung abgegeben wird.

  Wie kann diese Energie gefunden werden?
  Ohne Reibung würde der Energieerhaltungssatz gelten. Das heißt, die Gesamtenergie wäre konstant.

  Der Betrag, um den die Gesamtenergie während des Vorgangs kleiner wird, entspricht also der abgegebenen Energie.

  Am höchsten Punkt ist die potentielle Energie maximal und entspricht der Gesamtenergie.
  Es muss nun die Gesamtenergie am Anfang und die am Ende verglichen werden.
  Die Differenz entspricht der Energie, die durch Reibung abgegeben wurde.

  Andere Informationen sind nicht wichtig, denn wir suchen nur die Energie, die im gesamten Vorgang an die Umwelt abgegeben wird.

  Wir haben $E_{ges_{anf}}=39,24 ~ J$ und $E_{ges_{end}}=30,04 ~ J$.

  Damit folgt:

  $E_{Reibung}=E_{ges_{anf}}-E_{ges_{end}}=39,24 ~ J - 30,04 ~J=9,2 ~J$.