Grundwissen 8

Themen Grundwissen 8

Die Energie als Erhaltungsgröße

Die Energie als Erhaltungsgröße Energie und Energieformen Energie ist eine physikalische Größe. Mit Energie können Körper bewegt, verformt, erwärmt oder zur Aussendung von Licht gebracht werden. Formelzeichen: E Einheit: ein Joule (1J) Energieformen in der Mechanik a)Höhenenergie Die Energie, die Körper aufgrund ihrer Lage besitzen, nennt man Höhenenergie oder potentielle Energie EPot. EH=m*g*h m=Masse des Körpers g=Fallbeschleunigung h=Höhe über dem Nullniveau c)Spannenergie Die Energie, die Körper aufgrund ihrer Verformung besitzen, nennt man Spannenergie. ESp=1/2*D*s² D=Federkonstante s=Stauchung oder Dehnung der Feder Energie, mechanische Arbeit und Leistung Mechanische Arbeit wird verrichtet wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt oder verformt wird Formelzeichen für die Aechanische Arbeit ist W Druck Der Druck gibt an, mit welcher Kraft F ein Körper senkrecht auf eine Fläche A wirkt. Wenn eine Kraft von 1N (Newton) auf 1m² wirkt, beträgt der Druck 1Pa (Pascal) Druckkraft: F = p*A Der Druck eingeschlossener Flüssigkeiten ist überall gleich groß. Er wirkt nach allen Seiten. In Flüssigkeiten wirkt infolge der Gewichtskraft der Flüssigkeit ein Druck, der Schweredruck genannt wird. Für ihn gilt: Schweredruck: p = $\rho$*g*h Befindet sich ein Körper in einer Flüssigkeit oder einem Gas, so wirkt auf ihn eine Auftriebskraft, die immer entgegengesetzt zur Gewichtskraft gerichtet ist. Die auf einen Körper wirkende Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der verdrängten Flüssikeit bzw. des verdrängten Gases: FA = FG bzw. FA = $\rho$*V*g Die Einheit Pascal kommt von dem Wissenschaftler bzw. Physiker Blaise Pascal. Hier siehst du noch einige Aufgaben und Versuche zum Thema Druck: Leifi-Seite_Druck Aufbau der Materie und Wärmelehre Aufbau der Materie Änderung der inneren Energie Wärme: Symbol: Q Einheit: 1J=1(kg*m²)/s² Grundgleichung der Wärmelehre bei Erwärmen oder Abkühlen von Körpern ohne Aggregatszustandsänderung: Q=c*m*Δ$\vartheta$ 1.Hauptsatz der Wärmlehre: In einem abgeschlossenem System ist die Änderung der inneren Energie verbunden mit der Zufuhr oder Abgabe von Wärme und dem Verrichten mechanischer Arbeit. ΔEi=W+Q ΔEi:Änderung der inneren Energie W:Verrichten mechanischer Arbeit Q:Abgabe/Zufuhr von Wärme Energieentwertung Reversible und irreversible Vorgänge Ein Vorgang in Natur und/oder Technik kann reversibel oder irreversibel verlaufen. Das bedeutet: ein reversibler Vorgang ist umkehrbar, der Ausgangszustand wird von allein wieder erreicht Beispiele: Bewegung der Erde um die Sonne, Fadenpendel (bei kurzer Dauer) ein irreversibler Vorgang ist NICHT umkehrbar, der Ausgangszustand kann von alleine nicht wieder erreicht werden. Beispiele: Verbrennen eines Stoffes Wirkungsgrad bei irrevrsiblen Vorgängen Bei allen irreversiblen Vorgängen wird Energie in Form von Wärme entwertet. Der Wirkungsgrad bei allen Vorgängen, bei denen auch die Innere Energie eine Rolle spielt, ist immer kleiner als 100%, da Innere Energie nie vollständig in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Folglich tritt immer eine Energieentwertung auf. Beispiel: Ein laufender Motor erhitzt sich. Die Wärmeenergie wird durch die Verbrennung des Treibstoffs erzeugt, allerdings kann sie nicht zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Der Energieerhaltungssatz gilt trotzdem Hier findest du Aufgaben dazu: leifiphysik Volumenänderung bei Temperaturänderung Volumenänderung von Flüssigkeiten (Daniel H.<-Hat alles alleine gemacht,Patrik H.,Sebastian B.,Christoph Z.) Flüssigkeiten (ausser Wasser) dehnen sich bei konstanter Temperaturerhöhung linear aus. Volumenausdehnung = Ausgangsvolumen * Volumenausdehnungskoeffizient * Temperaturdifferenz Volumenausdehnungskoeffizienten Beispiele (γ in l/°C bei 20 °C ): Benzin: 0,0010 Wasser: 0,00021 Quecksilber: 0,00018 Petroleum: 0,0009 Heizöl: 0,0009 Alkohol: 0,0011 Beispiel: Berechne die Volumenänderung von 76 LiterBenzin wenn sie sich von 10°C auf 20°C erwärmen Gegeben: V0=76l γ=0,0010 l/°C \vartheta =10°C Gesucht: ^V Lösung: ^V = V0*y*\vartheta = 76l * 0,0010 l/°C * 10°C = 0,76l Längenänderung von Festkörpern Alle Festkörper dehnen sich bei Erwärmung aus, jedoch nicht alle gleichmäßig (linear). Dafür ist der jeweilige Längenausdehnungskoeffizient verantwortlich. Dieser ist bei jedem Stoff anders. Es kann berechnet werden, um wie viel cm sich ein Stoff ausdehnt und zwar mit dieser Formel: Δl = α * lo * Δδ oder: Volumenänderung = Volumenänderugskoeffizient * Ausgangslänge * Temperaturänderung Einige Beispiele für den Längenausdehnungskoeffizient: Stoffe α = $\frac{1}{C}$ Stoffe α = $\frac{1}{C}$ Elemente Andere Aluminium 2,4 * 10-5 Beton 0,000 012 Messing 0,000 018 Glas 0,000 008 Silber 0,000 020 Granit 0,000 003 Gold 0,000 014 Kochsalz 0,000 040 Zinn 0,000 027 Polyester 0,000 080 Zink 0,000 036 PVC (biegsam) 0,000 240 Kupfer 0,000 016 Porzellan 0,000 003 Blei 0,000 029 Titan 0,000 010 Eisen 0,000 012 Silizium 0,000 002 Volumenänderung von Gasen Alle Gase dehnen sich unter Wärmezufuhr ungefähr gleich aus, vorrausgesetzt sie besitzen die gleiche Ausgangstemperatur und stehen unter gleichem Druck. Folglich gilt: Je wärmer ein Gas ist, desto größer sein Volumen. Allerdings gibt es keine Formel mit der man die Ausdehnung genau berechnen kann. Anomalie des Wassers Dichte: Wasser hat unter Normaldruck seine größte Dichte von bei ca. 4°C und zeigt damit eine Dichteanomalie. Diese besteht darin, dass sich Wasser unterhalb von ca. 4°C bei weiterer Temperaturverringerung, auch beim Wechsel zum festen Aggregatzustand, wieder ausdehnt, was man nur von wenigen Stoffen kennt. Dies führt dazu, dass Eisberge schwimmen. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos, wobei die Moleküle aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit ein größeres Volumen ausfüllen. Es erhöht sich also das Volumen und die Dichte wird damit geringer. Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht und die Atome verteilen sich dementsprechend gleichmäßig über den maximal zur Verfügung stehenden Raum. Festes Wasser hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser, es schwimmt (=anomales Verhalten). Es gilt: -je größer die Temperatur des Wassers, desto kleiner die Dichte -je kleiner die Temperatur des Wassers, desto größer die Dichte Außer: Ab 4°C wird das Volumen nicht kleiner sondern bis 0°C wieder größer. Wasser hat bei 4°C die größte Dichte. Elektrische Energie Ladung, Stromstärke, Spannung Ladung Q Körper bzw. Teilchen können elektrisch neutral, positiv oder negativ geladen sein. Die elektrische Ladung Q eines Körpers bzw. Teilchens gibt an, wie groß der Elektronenmangel oder -überschuss ist. Einheiten: 1C = 1As 1C (Coulomb) 1As (Amperesekunde) Dei Ladung eines Elektrons wird als Elementarladung e bezeichnet. Stromstärke I Sie gibt an, wie viel Ladung in einer bestimmten Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließt. Einheit: 1A (Ampere) Die Stromstärke kann man mit einem Amperemeter messen. Das Gerät wird in den Stromkreis geschaltet! Wenn I konstant ist gilt: I = Q/t Stromstärke = Ladung pro Zeit Spannung U Sie gibt an, wie stark der Antrieb des elektrischen Stroms ist. Einheit: 1V (Volt) Die Spannung kann man mit einem Voltmeter messen. Das Gerät muss parallel geschaltet werden! Bei der Spannung gilt: U = $\triangle$E/Q Widerstände in Stromkreisen Welcher Strom in einem Stromkreis fließt, hängt einerseits von der elektrischen Spannung der Batterie ab, andererseits aber auch vom eingesetzten Verbraucher, genauer gesagt von seinem elektrischen Widerstand. Der Widerstand ist eine Eigenschaft des Verbrauchers, die man als seine Fähigkeit umschreiben kann, die schnelle Bewegung der elektrischen Ladung zu behindern. Mehr Widerstand bedeutet also bei gleicher Spannung, dass weniger Strom fließt. Der Widerstand R ist als abgeleitete Größe aus Spannung U und Stromstärke I definiert. Die Einheit des elektrischen Widerstands ist Ohm. Ein Ohm ist gleich ein Volt geteilt durch ein Ampere. Der Widerstand einer Glühlampe mit U=6V und I=0,4A kann also leicht berechnet werden: R = U/I R = 6V/0,4A R = 15 Ohm Elektrische Energie und elektrische Leistung Energieversorgung