3 Breyer · Reichel · Zunzer Physik
Physik Gollenz 3, Schülerbuch und E-Book Schulbuchnummer: 200070 Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 29. Dezember 2020, GZ BMBWF-5.018/0019-Präs/14/2019, gemäß § 14 Absatz 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBI. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 3. Klasse an allgemein bildenden höheren Schulen, Unterstufe, im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2012) geeignet erklärt. Mit Bescheid des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Forschung vom 3. August 2021, GZ 2021-0.248.467, gemäß § 14 Absatz 2 und 5 des Schulunterrichtsgesetzes, BGBI. Nr. 472/86, und gemäß den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch für die 3. Klasse an Mittelschulen im Unterrichtsgegenstand Physik (Lehrplan 2012) geeignet erklärt. Dieses Werk wurde auf Grundlage eines zielorientierten Lehrplans verfasst. Konkretisierung, Gewichtung und Umsetzung der Inhalte erfolgen durch die Lehrerinnen und Lehrer. Liebe Schülerin, lieber Schüler, du bekommst dieses Schulbuch von der Republik Österreich für deine Ausbildung. Bücher helfen nicht nur beim Lernen, sondern sind auch Freunde fürs Leben. Kopierverbot Wir weisen darauf hin, dass das Kopieren zum Schulgebrauch aus diesem Buch verboten ist – § 42 Abs. 6 Urheberrechtsgesetz: „Die Befugnis zur Vervielfältigung zum eigenen Schulgebrauch gilt nicht für Werke, die ihrer Beschaffenheit und Bezeichnung nach zum Schul- oder Unterrichtsgebrauch bestimmt sind.“ Umschlagbilder: yangphoto / Getty Images; Dashabelozerova / iStock / Getty Images Illustrationen: Bernd Pavlik, Neusiedl am See; Cindy Leitner, Wien 1. Auflage (Druck 0003) © Österreichischer Bundesverlag Schulbuch GmbH & Co. KG, Wien 2022 www.oebv.at Alle Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, gesetzlich verboten. Redaktion: Stefan Kapeller, Wien Herstellung: Raphael Hamann, Wien Umschlaggestaltung: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Layout: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Satz: CMS – Cross Media Solutions, Würzburg Druck: Ferdinand Berger & Söhne GmbH, Horn ISBN 978-3-209-11103-6 (Physik Gollenz SB 3 mit E-Book) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Breyer · Reichel · Zunzer Nach dem Lehrbuch von Gollenz · Breyer · Reichel · Tentschert neu bearbeitet von HR Mag. Gustav Breyer Mag. Dr. Erich Reichel Mag. Dr. Stefan Zunzer Physik 3 Lehrbuch www.oebv.at Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Kapitelbezeichnungen in grauer Schrift kennzeichnen Kapitel, die zur Erweiterung und Vertiefung des Kernstoffes dienen. Die Sonne als Motor für das Wettergeschehen und als Energiequelle 37 22 Sonnenstrahlung und Lufttemperatur 37 23 Die Sonnenstrahlung ruft Wasserkreisläufe und Luftströmungen hervor 39 24 Hoch- und Tiefdruckgebiete, Wind 40 25 Die Wetterfronten 42 26 Die Luftfeuchtigkeit 43 27 Nebel und Wolken 45 28 Atmosphärische Niederschläge 46 29 Wetterdienste und Wetterkarte 47 Überprüfe dein Wissen 48 Elektrische Phänomene sind allgegenwärtig 55 Stromkreise im Alltag 56 30 Grundwissen über elektrischen Strom – eine Wiederholung 56 31 Gleich- und Wechselstrom 58 Spannung und Widerstand bestimmen die Stromstärke 59 32 Die elektrische Stromstärke 59 33 Die elektrische Spannung 60 34 Elektrische Messgeräte 61 35 Der elektrische Widerstand 62 36 Technische Ausführung von Widerständen 64 37 Das Ohm’sche Gesetz 65 38 Die Schaltung von Widerständen 67 39 Größenordnungen elektrischer Stromstärken, Spannungen und Widerstände 69 Unser Leben im „Wärmebad“ 5 Der Energiebegriff 6 1 Arbeit und Energie 6 2 Verschiedene Energieformen und ihre Umwandlung 8 3 Energietransport und Energiespeicherung 10 Wärme als eine Form der Energie 12 4 Umwandlung verschiedener Energieformen in Wärmeenergie 12 5 Die Natur der Wärme, die Wärmeenergie 13 6 Wärmeleitung 14 7 Wärmeströmung 16 8 Wärmestrahlung 17 9 Heizwert und Nährwert 19 10 Heizungssysteme 21 11 Verhütung und Bekämpfung von Bränden 22 12 Der Wärmehaushalt von Lebewesen 23 Wärmeenergie und Zustandsänderungen von Stoffen 25 13 Bedingungen für die Änderung des Aggregatzustandes 25 14 Schmelzen und Erstarren 26 15 Löten und Schweißen 28 16 Die Anomalie des Wassers 29 17 Verdampfen, Sieden, Verdunsten 30 18 Verflüssigung (Kondensation) 32 19 Kühlschrank und Wärmepumpe 33 20 Zustandsänderungen bei der Zubereitung von Speisen und Getränken 35 21 Wiederverwertung von Materialien (Recycling) 36 2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Der Aufbau der Stoffe und ihre elektrische Leitfähigkeit 70 40 Aufbau der Atome 70 41 Was wissen wir über die Atome 71 42 Das Periodensystem der Elemente 72 43 Moleküle und Ionen 73 44 Elektrolyte 75 45 Elektrolyse einer Salzlösung 77 46 Halbleiter 78 47 Besondere elektrische Leiter 79 Energieumformungen 80 48 Galvanische Zellen 80 49 Technische Ausführung galvanischer Elemente 81 50 Akkumulatoren 82 51 Die Solarzelle 84 52 Thermoelemente 86 53 Der Fahrraddynamo – ein Generator 87 Überprüfe dein Wissen 88 Elektrotechnik macht vieles möglich 93 Gefahren beim Umgang mit dem elektrischen Strom 94 54 Die Gefährdung des Menschen durch den elektrischen Strom 94 55 Die Wirkung des elektrischen Stroms auf den menschlichen Körper 95 56 Maßnahmen nach Elektrounfällen 96 57 Sicherheitsmaßnahmen im Umgang mit elektrischen Geräten 97 58 Schutzerdung und Schutzisolation 99 59 Elektrische Sicherheitseinrichtungen 100 Elektrizität im Haushalt und in der Technik 102 60 Wärmewirkungen des elektrischen Stroms 102 61 Mechanische Wirkungen des elektrischen Stroms 104 62 Die elektrische Arbeit 105 63 Die elektrische Leistung 106 64 Die Verallgemeinerung des Leistungsbegriffes 107 65 Der Energiebedarf von Elektrogeräten 109 66 Leuchtmittel 110 67 Energiesparen ist Klimaschutz 113 68 Grundlast und Spitzenlast 114 Überprüfe dein Wissen 115 Lösungen zu „Zeige deine Kompetenz“ 119 Lösungen zu „Überprüfe dein Wissen“ 121 Register 124 Bedeutung der Vorsilben und verwendeten Zeichen 127 3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
Blick ins Buch Liebe Schülerin, lieber Schüler! Du hast auf deiner Entdeckungsreise durch die Natur schon viel Neues und Erstaunliches erfahren. Dieses Buch wird dich auf deinem Weg durch die Physik weiter begleiten. Dabei werden dich viele neue Phänomene und Naturgesetze überraschen. Du wirst wieder interessante Experimente kennen lernen und auch selbst durchführen können. Dieses Lehrbuch soll dir helfen, deine Kompetenzen in den folgenden drei Bereichen zu vertiefen: 1) Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommunizieren Du sollst lernen, Vorgänge und Erscheinungen in der Natur zu beschreiben, zu verstehen und zu deuten. Dazu sollst du auch Informationen aus unterschiedlichen Medien und Quellen heranziehen. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollst du in geeigneter Form dokumentieren und auch anderen mitteilen. 2) Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpretieren Du sollst lernen, Vorgänge und Erscheinungen der Natur aus der Sicht der Naturwissenschaften zu beobachten und zu verstehen. Deine Erkenntnisse kannst du in verschiedenen Formen, wie z. B. in einer Grafik, einer Tabelle oder einem Diagramm darstellen, beschreiben und dazu Berechnungen durchführen. Dazu ist es notwendig, die beobachteten Phänomene zu ordnen, darzustellen und festzuhalten sowie auch zu verschiedenen Fragestellungen Experimente zu planen und durchzuführen. Dabei werden sich weitere Fragen ergeben, deren Antworten du zunächst nur vermuten kannst. 3) Schlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln Du sollst lernen, Daten, Fakten und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen oder deinen Experimenten bezüglich ihrer Bedeutung und Auswirkungen zu bewerten. Du sollst auch lernen, naturwissenschaftliche Argumentationen und Fragestellungen von nicht-naturwissenschaftlichen zu unterscheiden. Du sollst Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwissenschaftlichen Erkenntnissen für dich persönlich, für die Gesellschaft und die Umwelt erkennen und danach verantwortungsbewusst handeln. Du wirst auch die Bedeutung der Physik und Technik für verschiedene Berufsfelder, die dich interessieren könnten, verstehen lernen. Weitere im Buch verwendete Symbole und Markierungen: Online-Codes am Beginn eines Themenbereiches führen dich zu zusätzlichem Bonusmaterial. Gib den Code im Suchfenster auf www.oebv.at ein und du wirst zu passendem Material weitergeleitet. Sicherheitshinweis Experimentieren kann auch gefährlich sein! Physikalische Versuche sollen dein Interesse wecken, dein Wissen erweitern und dir Freude bereiten. Sie sollen aber nicht deine Gesundheit gefährden. Führe daher deine Versuche sorgfältig durch und lass dir, wenn nötig, dabei helfen! Demonstrationsversuche dürfen nur von deinen Ph-Lehrerinnen und Lehrern durchgeführt werden. Mit dieser gelben Markierung sind physikalisch besonders wichtige Inhalte hervorgehoben. Die unter „Du bist dran – zeige deine Kompetenz:“ gestellten Aufgaben sollen dir eine Kontrolle über dein kompetenzorientiertes Wissen ermöglichen und dich zu weiteren Beobachtungen und Versuchen anregen. Am Ende jedes Großkapitels findest du auf den „Überprüfe dein Wissen“-Seiten zusätzliche Aufgaben. Die Lösungen zu allen Aufgabenstellungen findest du am Ende des Lehrbuches. Weitere Aufgabenstellungen bietet dir das auf das Lehrbuch abgestimmte Arbeitsheft Physik 3. Graue Texte gehören nicht direkt zum Kernstoff, sondern sind als Erweiterung und Vertiefung gedacht. Sie bieten zusätzliche Informationen, die dich ebenfalls interessieren könnten. Mit grauen Kapitelnummern im Inhaltsverzeichnis werden Kapitel gekennzeichnet, die komplett zum Erweiterungsstoff zählen. Ó Am Ende eines Kapitels ist das Wichtigste kurz zusammengefasst. 4 Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv
5 Unser Leben im „Wärmebad“ Wenn du kalte Hände hast, kannst du sie auf einen warmen Heizkörper legen, in einen warmen Luftstrom oder vor eine Infrarotlampe halten. Elektrische Energie wird über ein Leitungsnetz transportiert, von einem Fernheizwerk kommt die Wärmeenergie über Rohrleitungen zu den Abnehmern, die Sonnenenergie gelangt zum Teil als Wärmestrahlung zur Erde. In Wien wird bei der Verbrennung von Abfall Fernwärme bereitgestellt. Wie kann „Wärme“ transportiert werden? Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf sind unterschiedliche Zustandsformen von Wasser. Durch Zufuhr oder Entzug von Wärmeenergie kann eine Änderung der Zustandsform eines Stoffes eintreten, z. B. beim Schmelzen oder Verdampfen. Auch bei anderen Stoffen kann man diese Umwandlungen beobachten. Praktische Anwendungen davon sind Löten und Schweißen. Ist Wasser immer flüssig? Woher bekommen wir den Großteil der benötigten Energie? Wofür ist Wärmedämmung wichtig? Erst die Sonne ermöglicht uns das Leben auf der Erde. Die Sonnenenergie, die pro Stunde bei senkrechtem Lichteinfall auf eine Fläche von 4m2 auf der Erdoberfläche auftrifft, könnte den jährlichen Bedarf an elektrischer Energie eines durchschnittlichen Haushalts decken. Der Sonne verdanken wir auch die fossilen Energieträger, sie ist die Ursache für die Windkräfte und liefert uns elektrische Energie und Wärmeenergie. Wärmeenergie ist Voraussetzung für das Leben auf der Erde. Die Sonne würde uns zwar im Übermaß mit Energie versorgen, die Umwandlung in für den Menschen nutzbare Energieformen ist derzeit jedoch in ausreichendem Ausmaß nicht möglich. Daher sind Maßnahmen zum Energiesparen notwendig. Bonusmaterial Ó u787hm Fast die gesamte von uns genutzte Energie kommt von der Sonne. Wärmedämmung hilft Heizkosten zu sparen. Wasser kennen wir fest, flüssig und gasförmig. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
6 Der Energiebegriff 1 Arbeit und Energie Wie verwendest du das Wort „Arbeit“ im täglichen Leben? Bei vielen Tätigkeiten sprechen wir von Arbeit. Man sagt z. B.: „Die Gartenarbeit war sehr anstrengend.“ „Maria hat eine gute Schularbeit geschrieben.“ „Herr Müller arbeitet als Kraftfahrer.“ Ein Maurer oder eine Maurerin verrichten beim Heben eines Ziegels Arbeit. An einfachen Beispielen wollen wir nun erklären, was das Wort „Arbeit“ (work) in der Physik bedeutet. Hebst du eine Last, so überwindest du auf dem ganzen Weg die Schwerkraft. Schiebst du diese Last auf waagrechtem Boden vorwärts, so musst du die Reibung auf dem ganzen Weg überwinden. In beiden Fällen verrichtest du Arbeit im physikalischen Sinne. Arbeit wird auch verrichtet, wenn ein Bogen gespannt (Abb. 1.1) oder ein Stück Blech verformt wird. Ebenso wird beim Ziehen eines Wagens Arbeit im physikalischen Sinn vollbracht (Abb. 1.2). Ein Motor „arbeitet“, wenn er z. B. den Handysummer antreibt oder ein Auto bewegt. Für die Arbeit als physikalische Größe gilt daher: Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft auf einen Körper längs eines Weges wirkt. Ist das Arbeit? Beim bloßen Halten eines Körpers in einer bestimmten Höhe musst du zwar Kraft aufwenden und wirst dabei müde. Physikalisch gesehen verrichtest du dabei aber noch keine Arbeit. Wie können wir nun die Größe der Arbeit berechnen? Wird z. B. ein Ball 1m hoch gehoben, so wird die Schwerkraft entlang dieses Weges überwunden. Wird der Ball 2m gehoben, wird die doppelte Arbeit verrichtet (Abb. 1.3). Wird ein zweimal so schwerer Ball 1m hoch gehoben, wird ebenfalls die doppelte Arbeit vollbracht. Die Arbeit (W) ist das Produkt aus Kraft (Fs ) in der Wegrichtung und Weg (s). Arbeit = Kraft in der Wegrichtung × Weg W = Fs· s Dabei ist für die Kraft immer jener Teil zu nehmen, der in der Wegrichtung wirkt (Abb. 1.2). Die Einheit der Arbeit wird nach dem englischen Physiker James Prescott Joule (1818–1889) benannt (Abb. 1.4): Die Einheit der Arbeit ist das Joule (J) (gesprochen: dschul). Die Arbeit 1 Joule wird verrichtet, wenn eine Kraft von 1N entlang eines Weges von 1m wirkt. 1 J = 1N · 1m = 1 Nm (Newtonmeter) 1 Am Beginn jedes Kapitels findest du eine „Einstiegsfrage“. Diese soll dein Interesse am jeweiligen Thema wecken. Wenn du das Kapitel aufmerksam durcharbeitest, findest du sicher eine Antwort. Manchmal ist es aber nicht ganz so einfach. Da musst du auch noch andere Quellen heranziehen. 1.2 Die Arbeit, die zum Ziehen des Wagens notwendig ist, bekommt man aus der Kraft in Bewegungsrichtung Fs und der Länge des Weges s, den er gezogen wurde. tatsächlich aufgewendete Kraft Anteil der Kraft in Bewegungsrichtung FS s F 1.1 Beim Spannen eines Bogens wird Arbeit verrichtet. 1.3 Wird der Ball doppelt so hoch gehoben, muss die doppelte Arbeit verrichtet werden. h 2 h Was ist der Unterschied zwischen Arbeit und Energie? 1 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
7 Oft wird als Einheit für die Arbeit auch die Wattsekunde (Ws) verwendet. Es gilt: 1 Wattsekunde = 1 Joule 1 Ws = 1 J 3 600 000 Wattsekunden sind eine Kilowattstunde (kWh). Auf einem Weg von 4m wirkt eine Reibungskraft von 5N einer Bewegung entgegen. Die Arbeit, um die Bewegung auszuführen, beträgt: W = 5 · 4 Nm = 20 J. Ein Körper mit einer Masse von 3 kg wird 2m hoch gehoben. Die Arbeit beträgt W ≈ 3 · 10 · 2 Nm = 60 J. Wo es möglich ist, werden heute zur Verrichtung von Arbeit Maschinen (Roboter) eingesetzt (Abb. 1.5). Die Entwicklung der verschiedensten Maschinen hat das Leben der Menschen entscheidend beeinflusst. Sie haben uns von vielen schweren körperlichen Arbeiten entlastet und uns Wohlstand gebracht. Wir müssen aber immer mehr darauf achten, dass unsere Umwelt durch den Einsatz von Maschinen nicht zu sehr geschädigt wird. Du kennst sicher Uhren, die man immer wieder aufziehen muss. Das kann in verschiedener Weise erfolgen. So besitzen viele Pendeluhren für den Antrieb ein Gewichtsstück, das täglich oder wöchentlich hochgehoben werden muss. Während des Ganges der Uhr sinkt es allmählich wieder herunter (Abb. 1.6). Bei vielen Taschen- oder Armbanduhren und Weckern wird beim Aufziehen eine Feder gespannt (Abb. 1.7). Physikalisch gesehen wird beim Aufziehen jeder Uhr Arbeit verrichtet. Diese Arbeit wird im gehobenen Gewichtsstück oder in der gespannten Feder als Energie gespeichert. Sie ist imstande, die Zeiger der Uhr anzutreiben und besitzt also die Fähigkeit, wieder Arbeit zu verrichten. Heute werden die meisten Uhren durch die elektrische Energie aus einer Batterie angetrieben. Energie (energy) ermöglicht im Allgemeinen die Verrichtung von Arbeit. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 1.1 Welche der folgenden Tätigkeiten sind „Arbeit“ im physikalischen Sinn? Eine Getränkekiste vom Keller in den zweiten Stock tragen. – Eine schwere Schultasche 10 Minuten ruhig in der Hand halten. – Hochspringen. – Einen Berg besteigen. 1.2 Welche Arbeit verrichtet eine Gewichtheberin oder ein Gewichtheber beim Heben von Hanteln mit 212 kg auf ca. 2,25m Höhe? Berechne zuerst das Gewicht der Hanteln! 1.4 James Prescott Joule, (1818–1889), britischer Physiker, Bierbrauer und Maschinenbauer 1.5 Arbeitsroboter 1.6 Pendeluhr mit Gewicht 1.7 Feder einer Uhr Arbeit = Kraft in der Wegrichtung × Weg W = Fs· s Die Einheit der Arbeit ist das Joule (J). 1 Joule (J) = 1 Newtonmeter (Nm) = 1 Wattsekunde (Ws) Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
8 2 Verschiedene Energieformen und ihre Umwandlung Woher kommt die Fähigkeit für die Verrichtung von Arbeit? Sie wird der physikalischen Größe Energie zugeschrieben. Wie die Beispiele im vorigen Abschnitt zeigen, kann Arbeit in verschiedenen Formen als Energie gespeichert werden. Daraus ergibt sich umgekehrt die Fähigkeit der Energie, Arbeit zu verrichten. Das Uhrgewicht einer Pendeluhr kann Arbeit verrichten, weil es beim Aufziehen angehoben wurde. Ähnliches gilt für eine gespannte Uhrfeder. Uhrengewicht oder Feder können die Uhr antreiben, sie verrichten Arbeit. Die dazu notwendige Energie heißt potentielle Energie (potential energy). Sie ist gleich groß wie die Arbeit, die für das Heben des Körpers oder für das Spannen der Feder aufgewendet werden musste. Die potentielle Energie, die beim Heben eines Körpers in eine bestimmte Höhe auftritt, heißt auch Lageenergie (Abb. 2.1). Die in einem bewegten Körper, wie z. B. in einem Ball in Bewegung, gespeicherte Energie wird Bewegungsenergie oder kinetische Energie (kinetic energy) genannt. Sie ist genauso groß wie die Arbeit, die man aufwenden musste, um den Körper auf diese Geschwindigkeit zu bringen. Auf potentielle und kinetische Energie stoßen wir vor allem bei mechanischen Vorgängen. Man bezeichnet daher beide als mechanische Energieformen. Eine Energieform, die uns heute praktisch jederzeit zur Verfügung steht, ist die elektrische Energie. Schließen wir z. B. einen Staubsauger oder einen Mixer an eine Steckdose, so kann der elektrische Strom elektrische Energie transportieren und damit Arbeit verrichten. Man kann die elektrische Energie auch in einem Elektroherd für die Umwandlung in Wärmeenergie oder in einer Brennstoffzelle für die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff verwenden. Im Magnetfeld eines Elektromagnets ist magnetische Energie gespeichert. Eine dir bekannte Energieform ist die Wärmeenergie (thermische Energie). Jeder Körper besitzt eine Wärmeenergie. Diese bestimmt auch seine Temperatur. Die in Brennstoffen und chemischen Spannungsquellen gespeicherte Energie bezeichnet man als chemische Energie. Beim Verbrennen von Holz, Kohle oder Öl wird die chemische Energie in Wärmeenergie, in Batterien und Akkus in elektrische Energie umgewandelt. Unsere wichtigste Energiequelle ist die Sonne. Sie liefert uns Energie in Form von Strahlungsenergie. Auch das Radio- und Fernsehprogramm wird durch Strahlungsenergie übertragen (Abb. 2.2). Sehr große Energiemengen sind in den Atomkernen gespeichert. Die Kernenergie kann auf dem Wege der Kernspaltung oder der Kernverschmelzung (Kernfusion) freigesetzt werden (siehe Lehrbuch 4. Klasse, Kap. 65, 66). Die unterschiedlichen Energieformen lassen sich ineinander umwandeln: Versuch: Bringe ein Fadenpendel (Abb. 2.3) zum Schwingen. Dabei siehst du, dass die Geschwindigkeit beim Durchgang durch die Ruhelage am größten ist. Wie groß ist die Geschwindigkeit bei der größten Auslenkung? Beschreibe kinetische und potentielle Energie an den fünf dargestellten Punkten der Auslenkung. Woher kommt die Energie? 2.1 Lageenergie: Die potentielle Energie eines Körpers hängt von seiner Gewichtskraft G und seiner Höhe h ab. G h 2.2 Radioteleskope können sehr schwache Signale (Strahlungsenergie) von weit entfernten Sternen empfangen. Durch die Beobachtung des Sternenhimmels mit Radioteleskopen konnten wichtige astronomische Entdeckungen gemacht werden. 2.3 Beim Pendel wird kinetische Energie in potentielle Energie umgewandelt und umgekehrt. Bei großer Geschwindigkeit (blaue Pfeile) des Pendelkörpers, ist auch seine kinetische Energie groß. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
9 Im Umkehrpunkt hat der Pendelkörper seine größte Höhe erreicht. Seine Geschwindigkeit ist gleich Null. Er besitzt nur potentielle Energie. Auf dem Weg zur Ruhelage nimmt diese ständig ab. Dafür steigen seine Geschwindigkeit und damit seine kinetische Energie, die beim Durchgang durch die Ruhelage am größten sind. Von da an wird seine Geschwindigkeit wieder kleiner, der Pendelkörper jedoch gehoben. Seine kinetische Energie wandelt sich nun wieder in potentielle Energie um. Andere Beispiele für die Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie und umgekehrt finden wir beim Fallenlassen und Zurückspringen eines Balles oder beim Jo-Jo-Spiel. Dabei wird zuerst potentielle in kinetische Energie und diese wieder in potentielle Energie umgewandelt usw. Gib an, welche Energieumwandlungen beim Schießen mit Pfeil und Bogen in Abb. 2.4 auftreten. Welche Energieumwandlungen haben bei dem in Abb. 2.5 gezeigten Crashtest stattgefunden? Die Möglichkeit, verschiedene Energieformen ineinander umzuwandeln, nützt man vielfach aus. Aus elektrischer Energie können Wärmeenergie und kinetische Energie entstehen. In Verbrennungsmotoren wird die chemische Energie des Treibstoffs in Wärmeenergie und diese zum Teil in kinetische Energie umgewandelt. Beispiele dafür sind der Benzin- und der Dieselmotor. Auch in einer Dampfmaschine erfolgt eine Umwandlung der chemischen Energie des Brennstoffs in Wärmeenergie und letztlich in kinetische Energie. Bevor man die Energie des elektrischen Stroms nützen kann, bedarf es mehrerer Energieumwandlungen: In einem Staubecken wird zunächst Wasser gespeichert (potentielle Energie). Es wird durch Rohrleitungen auf eine Turbine geleitet, die in Rotation versetzt wird (kinetische Energie). Die Turbine treibt einen Generator an, der die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Der Generator in einem kalorischen Kraftwerk (Abb. 2.6) wird von einer Wärmekraftmaschine angetrieben. Es wird also die chemische Energie des Brennstoffs (Kohle, Erdgas usw.) zunächst in Wärmeenergie, danach in kinetische und schließlich in elektrische Energie übergeführt. Ein Teil der Wärmeenergie kann auch direkt für Heizzwecke verwendet werden (KraftWärme-Kopplung). In einem Kernkraftwerk wird die bei der Spaltung von Atomkernen freigesetzte Energie zunächst in Wärmeenergie von heißem Wasserdampf umgewandelt. Dieser bewegt eine Turbine; es entsteht kinetische Energie. Ein angeschlossener Generator wandelt sie schließlich in elektrische Energie um, die sehr bequem transportiert und in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Auf der Erde gibt es keine Bewegung, die nicht früher oder später einmal von selbst zum Stillstand kommt. Der Grund dafür ist die Reibung. Dabei wird mechanische Energie direkt in Wärmeenergie übergeführt. 2.4 Energieumwandlung beim Bogenschießen 2.5 Crashtests dienen dazu, die Sicherheit des Autos zu überprüfen und zu verbessern. 2.6 Maschinenhalle eines kalorischen Kraftwerks; Dampfturbine (rechts) und Generator (links). 2.1 Welche Energieform findet man (meistens unerwünscht) bei allen Energieumwandlungen? Du bist dran – zeige deine Kompetenz: Verschiedene Energieformen lassen sich ineinander umwandeln. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
10 3 Energietransport und Energiespeicherung In der Natur und in der Technik gibt es viele Vorgänge, bei denen die Energie zwischen Körpern transportiert wird. Als Beispiel dazu kannst du folgenden Versuch ausführen: Versuch: Zwei Pendel werden mit einer durch eine kleine Masse gespannte Schnur verbunden (Abb. 3.1). Bringe das eine Pendel zum Schwingen. Beobachte und beschreibe den weiteren Versuchsablauf. Bis auf kleinere „Verluste durch Reibung“ (Abgabe von Wärmeenergie in die Umgebung) wird die gesamte Energie der Pendelschwingung von einem Pendel zum anderen transportiert. Nicht anders ist es beim Auftanken eines Autos: Für den Betrieb des Autos wird Energie benötigt, die aus dem mitgeführten Treibstoff gewonnen wird. Ist der Tank des Autos leer, steht keine Energie mehr für die Weiterfahrt zur Verfügung, und das Auto bleibt stehen. Deutlich bemerkbar ist meistens auch der Transport (Weiterleitung) der Wärmeenergie. Wird ein Metallstab an einem Ende erhitzt, erhöht sich bald auch am anderen Ende seine Temperatur. Bei einer Zentralheizung wird die Wärmeenergie durch strömendes, heißes Wasser vom Heizkessel zu den Heizkörpern gebracht. Oft muss die Wärmeenergie auch durch Wasser, Luft oder über Kühlrippen abgeleitet werden, damit empfindliche Geräte, wie z. B. ein Motor (Abb. 3.2) oder ein Computer (Abb. 3.3), nicht überhitzt werden. Für uns nicht unmittelbar zu erkennen ist z. B. der Transport der elektrischen Energie. Er erfolgt meist in elektrischen Leitungen. Elektrische Energie kann aber auch ohne Leiter weitertransportiert werden. So besteht zwischen einem Radio- oder Fernsehsender (Abb. 3.4) und dem Radio- oder Fernsehgerät zu Hause keine Verbindung über Leitungen. Dasselbe gilt auch für Mobiltelefone und W-LAN. Die Frage des Energietransportes ist eng verbunden mit den Möglichkeiten zur Speicherung der Energie. Leider ist nicht jede Form von Energie für den Menschen unmittelbar verwertbar. So ist z. B. der größte Teil der vorhandenen Wärmeenergie für uns nicht nutzbar. Um diese Energie in eine für uns verwertbare Form zu bringen, sind oft teure Motoren, Kraftwerke oder Heizungsanlagen notwendig. Aber auch damit kann man für den Menschen nutzbare Energie nicht in unbegrenzter Menge bereitstellen. Experimente haben ergeben, dass von einem Motor höchstens so viel Energie abgegeben werden kann, wie an elektrischer oder chemischer Energie (Treibstoff) zugeführt wird. Auch die von einem Generator gelieferte elektrische Energie ist höchstens so groß wie die vom Wasser an die Turbine abgegebene Energie. Die Erkenntnis, dass die gesamte Energie in einem System immer gleich groß bleibt, wird im Satz von der Erhaltung der Energie zusammengefasst: Beim Übergang von einer Energieform in andere Energieformen oder beim Übergang von Energie von einem Körper auf einen anderen bleibt die gesamte Energie erhalten. Es gibt keinen Vorgang in der Natur, bei dem Energie erzeugt oder vernichtet werden kann. Wie kann man Energie transportieren? 3.1 Gekoppelte Pendel. Beginnt das zweite Pendel zu schwingen, so nehmen die Schwingungen des ersten Pendels ab. Kommt das erste Pendel zur Ruhe, so erreicht das zweite Pendel die ursprüngliche Schwingungsweite des ersten Pendels. 3.2 Kühlrippen eines Motors 3.3 Kühlkörper in einem Computer Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
11 Energie muss immer genau in dem Moment bereitgestellt sein, in dem sie auch gebraucht wird. Damit wird das Problem der Speicherung von nutzbarer Energie zu einer der wichtigsten Fragen der Menschheit. Alle unsere Brennstoffe haben ihre Wurzel in der Strahlungsenergie der Sonne. Die Speicherung der Sonnenenergie in den Pflanzen begann mit dem Wachstum der ersten Pflanzen auf der Erde und dauert heute noch an. Durch Umwandlung einstiger pflanzlicher, aber auch tierischer Stoffe entstanden innerhalb von Millionen von Jahren Kohle, Erdgas und Erdöl (Abb. 3.5). Kohle, Erdgas und Erdöl heißen auch fossile1 Brennstoffe. Werden diese verbraucht, so sind sie nicht mehr zu ersetzen. Es ist also notwendig, bei der Nutzung fossiler Energieträger besonders sparsam zu sein. Zusätzlich entstehen bei der Verbrennung umweltschädliche Abgase. Auch die nach uns lebenden Menschen werden auf fossile Rohstoffe, z. B. für die chemische Industrie, angewiesen sein. Die Sonne bestimmt auch die Niederschlagsmenge (Regen, Schnee usw.) und dadurch, wie viel Wasser uns z. B. in den Flüssen für die Bereitstellung von elektrischer Energie zur Verfügung steht (Abb. 3.6). Derzeit kann die elektrische Energie noch nicht in größeren Mengen gespeichert werden. Die Lösung dieser Aufgabe gehört zu den wichtigsten Vorhaben der nächsten Jahre, um den Klimawandel zu verlangsamen. Derzeit kann fast nur das zur Bereitstellung der elektrischen Energie benötigte Wasser gespeichert werden (Abb. 3.7). Sehr groß sind die Energiemengen, die in den Atomkernen gespeichert sind. Es ist aber bis heute nicht geklärt, wie der Mensch und seine Umwelt vor den Gefahren und Problemen, die bei der Nutzung von Kernenergie auftreten, am besten geschützt werden können. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 3.1 Führe den Versuch von Abb. 3.1 mit verschieden schweren Massestücken als Pendelkörper aus. Überlege zuvor, welche Unterschiede du erwartest und überprüfe dann deine Hypothese experimentell. Notiere und erkläre deine Beobachtungen. 3.2 Warum wird mit energiesparenden Maßnahmen oft sehr lange gewartet? Diskutiert in der Klasse mögliche langfristige Folgen davon. 1 fossilis (lat.) … ausgegraben 3.4 Sender Schöckl (bei Graz, Stmk.) 3.5 Solche Wälder versanken vor vielen Millionen Jahren in der Erde, wurden durch Druck zusammengepresst und zu Kohle umgewandelt. 3.6 Donaukraftwerk Freudenau, bei Wien 3.7 Speicherkraftwerk Glockner-Kaprun. Wasserkraftwerke liefern „saubere Energie“. Man muss sich darüber im Klaren sein, dass die Errichtung und der Betrieb eines Kraftwerkes einen Eingriff in die Natur darstellen und Schäden an der Umwelt zur Folge haben können. Arbeit kann in verschiedenen Energieformen gespeichert werden. Die Energieformen lassen sich ineinander umwandeln. Gesetz von der Erhaltung der Energie: Bei Energieumwandlungen bleibt die Größe der Gesamtenergie unverändert. Es ist notwendig und sinnvoll, mit der nutzbaren Energie sparsam umzugehen (Klimawandel)! Nur zu Prüfzwecken – igentum des Verlags öbv
12 Wärme als eine Form der Energie 4 Umwandlung verschiedener Energieformen in Wärmeenergie Nenne Vorgänge bei denen Wärme abgegeben wird. Reibungswärme (frictional heat): Versuch: Reibe deine Handflächen fest aneinander. Was merkst du dabei? Ähnliches hast du vielleicht schon beim Turnen erlebt, wenn du von einer Stange oder von einem Seil sehr rasch heruntergeglitten bist. Die Handflächen wurden warm, manchmal sogar gefährlich heiß. Durch die Reibung (friction) zwischen den Handflächen und der Stange bzw. dem Seil (Abb. 4.1) wird Wärmeenergie (heat) frei. Auch bei vielen Bremsvorgängen in der Technik entsteht sie durch Reibung. Versuch: Nimm einen Blechstreifen und biege ihn rasch einige Male hin und her. Was spürst du, wenn du die Biegestelle vorsichtig betastest? Beim Biegen des Blechstreifens werden an der Biegestelle die fest aneinander haftenden Atome gegeneinander verschoben. Es gibt also im Inneren des Körpers viele kleine Reibungsflächen, an denen durch die Biegebewegung Wärmeenergie entsteht. Auch beim Hämmern eines Metallstückes wird dieses warm bzw. heiß. Verbrennungswärme (combustion heat): In Holz, Kohle, Benzin, Erdgas usw. ist Energie in chemischer Form gespeichert. Sie wird beim Verbrennen in Wärmeenergie umgewandelt (Abb. 4.2) und kann zum Teil z. B. für den Antrieb einer Maschine verwendet werden. Nenne solche Maschinen. Wärmeenergie aus elektrischer Energie (Joule heat): Du weißt, dass du mit Hilfe der elektrischen Energie auf einem Elektroherd kochen kannst (Abb. 4.3). Mit einem Wasserkocher kannst du Wasser erwärmen. Ebenso wird ein Elektromotor im Betrieb warm. Bei all diesen Vorgängen wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Beispiele zeigen, dass sich die verschiedenen Energieformen in Wärmeenergie, kurz „Wärme“ umwandeln lassen. Also ist auch Wärme eine Form von Energie. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 4.1 Warum sollte man beim Bohren in Metall und Beton kurze Unterbrechungen einlegen? Begründe diese Maßnahme. 4.2 Warum wird bei Sägearbeiten das Sägeblatt heiß? 4.3 Nenne Beispiele, wofür Wärmeenergie aus elektrischer Energie genutzt wird. Kann man ein Stück Eisen durch Hammerschläge zum Glühen bringen? 4.1 Unerwünschte Reibungswärme 4.2 Verbrennungswärme 4.3 Wärmeenergie aus elektrischer Energie bei einer Herdplatte Wärme (Wärmeenergie) ist eine Form der Energie. Nur zu Prüfzweck n – Eigentum d s Verlags öbv
13 5 Die Natur der Wärme, die Wärmeenergie Wiederhole die Abschnitte 32, „Die Brown’sche Bewegung“ und 33, „Wärme ist Bewegung von Teilchen“ aus der 2. Klasse. Du hast dort erfahren, dass man sich vorstellt, alle Körper bestehen aus Teilchen. Diese befinden sich in ständiger, ungeordneter Bewegung und besitzen daher kinetische Energie (Bewegungsenergie). Diese Bewegungsenergie aller Teilchen eines Körpers beschreibt seine Wärmeenergie (thermal energy). Je größer die Bewegungsenergie der Teilchen ist, desto höher ist auch die Temperatur des Körpers. Kommen zwei Körper mit unterschiedlicher Temperatur in enge Berührung, so kommt es zum Wärmeaustausch (heat exchange). Durch Zusammenstöße geben die schnelleren Teilchen des wärmeren Körpers Energie an die langsameren Teilchen des kälteren Körpers ab. Beim Abkühlen wird die kinetische Energie der Teilchen kleiner, sie werden langsamer und es wird Wärmeenergie abgegeben. Beim Erwärmen wird die kinetische Energie der Teilchen größer. Sie werden schneller und die Wärmeenergie des Körpers wird größer. Statt von Bewegungsenergie der Teilchen spricht man oft nur von Wärmeenergie oder einfach nur von Wärme. Wie die Bewegungsenergie und die elektrische Energie wird auch die Wärmeenergie in Joule gemessen. Nun wollen wir untersuchen, welche Temperaturerhöhung bei Wasser von einer zugeführten Wärmemenge bewirkt wird: Versuch: Erwärme mit einem Tauchsieder Leitungswasser in einer Thermosflasche. Miss dabei die Dauer der Wärmeenergiezufuhr und die Temperaturerhöhung. Trage die Messergebnisse in eine Tabelle ein. Ein Beispiel für solche Messergebnisse findest du in Tab. 5.1. Die Tab. 5.1 zeigt: Bei gleicher Masse und doppelter Wärmeenergiezufuhr wird die doppelte Temperaturerhöhung erreicht, bei doppelter Masse und gleicher Wärmeenergie die halbe. Eine Rechnung würde ergeben: Für die Erwärmung von 1 kg Wasser um 1 °C ist eine Wärmeenergie von etwa 4200 J = 4,2 kJ notwendig. Für fast alle anderen Stoffe ist die für die Erwärmung von 1 kg um 1 °C benötigte Wärmeenergie kleiner als die des Wassers (Tab. 5.2). Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 5.1 Wie groß ist die mittlere Geschwindigkeit der Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle der Luft bei Zimmertemperatur? (Siehe 2. Klasse Kapitel 3 und 33.) 5.2 Wie weit kann sich ein Körper abkühlen? 5.3 Wie viel kJ sind nötig, um 1 kg Wasser von 0 °C auf 25 °C bzw. von 18 °C auf 100 °C zu erwärmen? 5.4 Warum verwendet man zur Füllung einer Wärmeflasche am besten Wasser? Zeit Stoffmenge Temperatur- erhöhung 140 s 200g Wasser 50 °C 70 s 200g Wasser 25 °C 140 s 400g Wasser 25 °C 5.1 Erwärmung von Wasser mit einem Tauchsieder mit 300 W Leistung (siehe Kap. 63, „Die elektrische Leistung“) Luft bei konstantem Druck 1,0 Wasser 4,1868 ≈ 4,2 Alkohol 2,5 Eis 2,1 Kunststoffe 1,3–1,7 Gestein, feste Erdoberfläche 0,85 Glas, Aluminium 0,85 Eisen 0,46 Kupfer, Messing 0,38 Quecksilber, Gold, Blei 0,13 5.2 Wärmemenge in kJ, um 1 kg eines Stoffes um 1 °C zu erwärmen. Die Zahlenwerte geben auch an, wie viel Wärmeenergie in 1 kg eines Stoffes bei Erwärmung um 1 °C gespeichert werden kann. Was ist Kälte? Die Wärmeenergie eines Körpers entspricht der gesamten Bewegungsenergie der ungeordneten Bewegung seiner Teilchen. Je schneller sich die einzelnen Teilchen bewegen, desto höher ist die Temperatur eines Körpers. Die Einheit der Wärmeenergie ist das Joule. Mit etwa 4,2 kJ kann man 1 kg Wasser um 1 °C erwärmen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum d s Verlags öbv
14 6 Wärmeleitung Hält man einen Kupferstab mit dem einen Ende in eine Flamme, so wird auch das andere Ende bald heiß. Ein brennendes Streichholz kann man dagegen halten, bis die Flamme fast die Finger erreicht. Versuch: Befestige einen Kupferstab an einem Stativ, klebe eine Anzahl von Wachskügelchen daran und erwärme ihn am freien Ende (Abb. 6.1). Was beobachtest du? Die Kügelchen fallen nacheinander ab und zeigen damit, dass die Wärmeenergie im Metallstab fortschreitet. Diese Ausbreitung der Wärmeenergie nennt man Wärmeleitung (heat conduction). Dabei stoßen die heftiger schwingenden Atome oder Moleküle mit ihren langsameren Nachbarn zusammen und erhöhen so deren Geschwindigkeit. Versuch: Wiederhole den vorigen Versuch mit zwei gleich langen und gleich dicken Stäben aus Eisen bzw. Kupfer. Von welchem Stab fallen die Wachskügelchen früher herunter? Wir erkennen: Kupfer leitet die Wärmeenergie besser als Eisen. Anstatt Wachskügelchen anzukleben kann man die Stäbe auch mit einem Thermofarbstoff, dessen Farbe sich bei einer bestimmten Temperatur ändert, bestreichen. Am Fortschreiten des Farbumschlags erkennt man die Ausbreitung der Wärmeenergie. Je nachdem wie schnell die Wärmeenergie zwischen den Atomen und Molekülen eines Stoffes weitergegeben wird, unterscheiden wir gute und schlechte Wärmeleiter. Die Metalle, vor allem Silber und Kupfer, sind gute Wärmeleiter. Weniger gute sind die meisten Mineralien, gebrannter Ton usw. Schlechte Wärmeleiter heißen auch Wärmeisolatoren (heat insulator). Zu ihnen gehören Glas, Holz, Asche, Haare, Stroh, Sägespäne, Wolle, Seide, Daunen, Kunststoffe, Schnee, Eis. Versuch: Fülle eine Proberöhre mit Wasser und erhitze ihr oberes Ende (Abb. 6.2). Das Wasser wird an dieser Stelle siedend heiß. Es bleibt aber im unteren Teil der Proberöhre so kalt, dass man sie dort mit der Hand halten kann. Was schließt du daraus? Wasser und auch andere Flüssigkeiten – mit Ausnahme flüssiger Metalle – leiten die Wärmeenergie schlecht. Besonders schlechte Wärmeleiter sind Gase, z. B. die Luft. Für Wasserdampf zeigt dies der Versuch von Leidenfrost1. Versuch: Beobachte einen Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte (Abb. 6.3). Im Vakuum findet überhaupt keine Wärmeleitung statt. Was fehlt dazu? Begründe deine Antwort. Kannst du nun erklären, warum bei einer Thermoskanne (Abb. 6.4) praktisch keine Wärmeleitung nach außen bzw. nach innen möglich ist? Warum sind Pfannengriffe aus Holz oder Kunststoff gefertigt? 6.3 Versuch von Leidenfrost: Ein Wassertropfen „tanzt“ auf einer heißen Platte. An seiner Unterseite bildet sich eine Dampfschicht. 6.2 Wasser ist ein schlechter Wärmeleiter. Es siedet im oberen Teil der Proberöhre, während man diese weiter unten mit der Hand halten kann, ohne sich zu verbrennen. 6.1 Die Wachskügelchen fallen nacheinander ab und zeigen damit die Wärmeleitung im befestigten Stab an. 1 Johann Leidenfrost (1715–1794), deutscher Arzt und Physiker Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
15 Anwendungen: Gute Wärmeleiter werden hauptsächlich dann verwendet, wenn man eine schnelle Ausbreitung oder Ableitung der Wärmeenergie erreichen will. Man nimmt dazu in erster Linie Metalle. Erkläre die Wirkung der Heizrippen bei der Zentralheizung und die der Kühlrippen bei Motoren. Wegen der guten Leitfähigkeit der Metalle verwendete man früher Herdplatten aus Gusseisen. Um beim Kochen Energie zu sparen, sollen auch die Böden der Kochtöpfe aus besonders gut leitenden Metalllegierungen angefertigt sein. Zusätzlich sollen die Töpfe genau auf die Herdplatten passen und darauf glatt aufliegen. Wärmeisolatoren sollen die Ableitung oder die Zuleitung der Wärmeenergie möglichst verhindern. So leiten Kleiderstoffe oder Decken unsere Körperwärme nur langsam an die Umgebung weiter. Diese Stoffe sind einerseits selbst schlechte Wärmeleiter und haben anderseits viel Luft eingeschlossen (Abb. 6.5). Bei nicht allzu hohen Außentemperaturen schützen wir unseren Körper durch mehrere, übereinander getragene Kleidungsstücke. Dazwischen befindet sich eine zusätzlich isolierende Luftschicht. Durch gute Wärmeisolation von Gebäuden kann man den Energiebedarf im Winter für die Heizung und im Sommer für die Kühlung stark vermindern. Dazu werden als Baustoffe Hohlziegel, Schaumstoffe, Mineralwolle, Kork usw. verwendet. Für den sparsamen Umgang mit Energie wird eine entsprechende Wärmeisolation sowohl für den Einzelnen als auch für die gesamte Wirtschaft Österreichs immer wichtiger. Zusätzlich wird dadurch der CO2Ausstoß reduziert und dem Klimawandel entgegengewirkt. Hält man ein engmaschiges Drahtnetz über einen Brenner, so kann man das Gas auf einer Seite entzünden, ohne dass die Flamme auf der anderen Seite weiter brennt (Abb. 6.6). Das Drahtgitter leitet nämlich die Wärmeenergie so rasch seitwärts ab, dass sich das Gas auf der Seite des Brenners nicht mehr entzünden kann. Davon wurde bei der früher von Bergleuten verwendeten Grubenlampe Gebrauch gemacht (Abb. 6.7). Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 6.1 Wie schützt man im Winter Brunnen und Wasserleitungsrohre vor dem Einfrieren? 6.2 Welches Material nimmt man für die Handgriffe von Bügeleisen und Bratpfannen? 6.3 Recherchiere und argumentiere, wie und warum unterschiedliche Bauarten von Fenstern die Wärmeverluste verringern. 6.4 Recherchiere, wie sich verschiedene Tierarten bei niedrigen Temperaturen schützen können.. 6.4 Aufbau einer Thermoskanne Vakuum Edelstahl oder verspiegeltes Glas 6.5 Astronautenanzüge schützen vor den niedrigen Temperaturen im Weltall. 6.6 Entzünden der Flamme oberhalb eines Drahtnetzes. (Wegen der Auflage in der Mitte des Netzes wurde der Versuch an einer Ecke durchgeführt.) 6.7 Grubenlampe. Ihre Flamme befand sich innerhalb eines engmaschigen Drahtnetzes. So wurde die Entzündung eventuell außerhalb vorhandener Grubengase verhindert. Bei den Festkörpern gibt es gute und schlechte Wärmeleiter. Flüssigkeiten sind im Allgemeinen schlechte Wärmeleiter. Gase leiten Wärmeenergie sehr schlecht, Vakuum überhaupt nicht. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
16 Wärmeenergie kann durch die Bewegung der Atome und Moleküle in Flüssigkeiten und Gasen transportiert werden. Dieser Vorgang heißt Wärmeströmung (heatflow). Versuch: Erwärme in einem Glaskolben kaltes Wasser und gib Sägespäne hinein (Abb. 7.1). Beschreibe die Bewegung der Sägespäne und gib eine Begründung dafür an. Da das wärmere Wasser eine geringere Dichte hat als das kältere, steigt es von den erhitzten Stellen des Bodens auf. An den Gefäßwänden sinkt das kältere und dadurch dichtere Wasser wieder zu Boden. Wegen dieser Wärmeströmung erfolgt die Erwärmung der Flüssigkeiten verhältnismäßig rasch. Versuch: Fülle eine rechteckig gebogene Glasröhre (Abb. 7.2) mit Wasser und erwärme sie an einer unteren Ecke. Gib nun etwas Farbstoff hinein. Was macht der Farbstoff sichtbar? Der im Versuch gezeigte Wasserumlauf tritt auch bei einer Warmwasserzentralheizung, unterstützt durch eine Pumpe, auf (siehe Kapitel 10). Auch in Gasen entstehen beim Erwärmen Strömungen: Versuch: Stülpe eine weite Glasröhre (Abb. 7.3) derart über eine brennende Kerze, dass von unten Luft zuströmen kann. Was beobachtest du? Der Versuch zeigt die Wirkung eines Kamins. Wärmeströmungen treten auch in Meeren auf. So wird die Küste Norwegens von einer warmen Meeresströmung, dem Golfstrom, umspült. Dadurch sind die Häfen Norwegens im Winter eisfrei. Die mittleren Temperaturen liegen dort im Winter zwischen –6 °C und 1 °C. Es ist somit wärmer als in Vergleichsgebieten mit derselben geografischen Breite. An den Südhängen der Hügel und Berge entstehen durch die Sonnenstrahlung ebenfalls aufsteigende, warme Luftströmungen (Aufwinde). Sie werden von Paragleitern und Paragleiterinnen, Segelflugzeugen und Vögeln ausgenützt. Außerdem gibt es in der Atmosphäre großräumige Warm- und Kaltluftströmungen, welche die Lufttemperatur und das Wetter mitbestimmen. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 7.1 Beschreibe, wie sich die Luft im Zimmer durch einen Ofen oder Heizkörper erwärmt. 7.2 Wo sind in Räumen Ventilatoren angebracht? Begründe deine Antwort. 7.3 Informiere dich, wie der Golfstrom verläuft und in welchen Ländern Europas er das Klima beeinflusst. Warum fliegen Segelflieger gerne in der Nähe von Steilhängen? 7.2 Wärmeströmung in einer rechteckig gebogenen Glasröhre 7.1 Wärmeströmung 7.3 Kaminwirkung zuströmende Luft Rauch Bei der Wärmeströmung wird die Wärmeenergie durch strömende Flüssigkeiten und Gase mitgeführt. 7 Wärmeströmung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
17 Aus der Erfahrung wissen wir, dass die wärmende Wirkung der Sonnenstrahlung auch dann zu spüren ist, wenn die uns umgebende Luft sehr kalt ist. Unsere Wärmeempfindung ändert sich jedoch sofort, wenn wir in den Schatten von Häusern treten oder wenn Wolken vor die Sonne ziehen. Genauso spüren wir die Wärmeenergie, die vom glühenden Draht eines Heizgerätes oder von der Glut eines Feuers ausgestrahlt wird. Besonders nehmen wir diese im Gesicht und mit den Händen wahr, während offenbar unsere Kleider den übrigen Teil unseres Körpers vor der Strahlung schützen. Die Hitzeempfindung hört auch sofort auf, wenn wir z. B. ein Stück Pappe vor unser Gesicht halten. Die Wärmestrahlung der Sonne breitet sich nach allen Richtungen im Weltraum aus. Da der Weltraum ein luftleerer Raum ist, kann es sich weder um Wärmeleitung noch um Wärmeströmung handeln. Breitet sich die Wärmeenergie ohne Beteiligung von Teilchen im Raum aus, so bezeichnen wir dies als Wärmestrahlung (thermal radiation). Die Wärmestrahlung gelangt durch den luftleeren Raum und durch die Atmosphäre auch zur Erde und erwärmt den Erdboden. Die Luft in der Atmosphäre nimmt zwar einen Teil der Strahlung auf, wird aber in erster Linie vom Erdboden aus erwärmt. Die Erwärmung der Erde hängt von der Dauer der Sonneneinstrahlung und vom Winkel ab, unter dem die Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche auftrifft (Abb. 8.2). Dieser ändert sich nicht nur im Laufe eines Tages, sondern auch eines Jahres. Der Grund dafür ist die Neigung der Erdachse gegen die Ebene der Umlaufbahn der Erde um die Sonne (Abb. 22.3, Seite 38). Insgesamt verursacht dies die Ausbildung der verschiedenen Jahreszeiten. Aber nicht bloß glühende Körper strahlen Wärmeenergie aus, sondern auch nicht leuchtende Körper, wie z. B. ein warmer Kachelofen oder ein heißes Bügeleisen. Auch der menschliche Körper strahlt Wärmeenergie ab (Abb. 8.3). Jeder Körper gibt eine seiner Temperatur entsprechende Strahlung ab. Messungen haben gezeigt: Körper mit dunkler und matter Oberfläche strahlen mehr Wärmeenergie ab als solche mit derselben Oberflächentemperatur, aber mit heller und glänzender Oberfläche. Umgekehrt wird ein Körper durch Wärmestrahlung umso stärker erwärmt, je mehr er davon aufnimmt oder absorbiert1. Dies zeigt auch der folgende Versuch: Versuch: Fülle je eine weiß lackierte, eine schwarz lackierte und eine mit Alufolie umwickelte Getränkeflasche mit Wasser, stelle sie in die Sonne und miss nach einiger Zeit die Wassertemperatur in jeder Flasche. Gib eine Erklärung für das Ergebnis. Körper mit dunkler und matter Oberfläche absorbieren mehr Wärmestrahlung als solche mit heller und glänzender Oberfläche. Von hellen und glänzenden Flächen wird die Strahlung größtenteils reflektiert2. Warum können wir die Sonnenenergie auf der Erde spüren? 1 absorbere (lat.) … aufsaugen 2 reflectere (lat.) … zurückspiegeln 8.1 Ein Gletschertisch entsteht, wenn ein Stein die Sonnenstrahlung abschirmt und unterhalb dieses Steines weniger Eis schmilzt als in der Umgebung. 8.2 Abhängigkeit der Erwärmung einer Fläche vom Winkel, unter dem die Strahlung auftrifft. Obwohl die Flächeninhalte von A und B gleich groß sind, ist die auf A eingestrahlte Energie kleiner als die auf B (Darstellung von der Seite). Flächen A und B sind gleich groß. A B Auf der Fläche A ist die Sonneneinstrahlung geringer als auf Fläche B. 8.3 Wärmebild eines Menschen 8 Wärmestrahlung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
18 Eine direkte Nutzung der Strahlungsenergie der Sonne erfolgt mit einem Sonnenkollektor (solar thermal collector, Abb. 8.4). Er besteht im Wesentlichen aus einem Metallrahmen, der die einzelnen Teile des Kollektors zusammenhält. An der Oberseite ist eine lichtdurchlässige Abdeckplatte angebracht. Darunter befindet sich eine dunkle Schicht zur Absorption der eingestrahlten Sonnenenergie. Die Abdeckplatte soll vor allem verhindern, dass die aufgenommene Wärmeenergie wieder abgestrahlt wird. Unter der dunklen Schicht ist ein Rohrsystem, durch das Wasser fließen kann. Die Rückseite des Kollektors ist mit einer Wärmeisolation versehen, sodass auch nach dieser Seite möglichst wenig Wärmeverluste auftreten. Die Sonnenkollektoren sollen so aufgestellt werden, dass die Sonnenstrahlung möglichst senkrecht auf sie auftrifft (Abb. 8.5). Bei Kollektoren, die auf einem Dach montiert sind, ist dies nur annähernd der Fall. Daher ist die von Sonnenkollektoren im Laufe eines Tages bzw. eines Jahres abgegebene Leistung sehr schwankend. Durch die Strahlungsenergie der Sonne wird das Wasser im Rohrsystem des Kollektors erwärmt. Es kann entweder direkt als Warmwasser verwendet werden oder einem Wärmetauscher zugeleitet werden. Mit Sonnenkollektoren kann z. B. ein Warmwasserboiler aufgeheizt oder im Sommer ein Schwimmbad zusätzlich erwärmt werden. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 8.1 Welche Kleider trägt man im Sommer bzw. in heißen Gegenden? 8.2 Recherchiere, warum die Tuareg dunkelblaue Kleidung tragen? 8.3 Ist es im Sommer in einem schwarzen oder einem hellen Auto angenehmer? Begründe deine Antwort. 8.4 Was bewirken Ruß und Asche auf Schnee? 8.5 Warum sind Kühlschränke häufig weiß lackiert? 8.4 Querschnitt durch einen Sonnenkollektor Stahlblech Hartschaum Wasser Aluminium gehärtetes Spezialglas SilikonKautschukschlauch Die dunkle Schicht nimmt die Strahlungsenergie auf. 8.5 In diesem Haus wird mit Hilfe von Sonnenkollektoren (vorne Mitte) Wärmeenergie bereit gestellt. In unseren Breiten werden Sonnenkollektoren am günstigsten unter einem Winkel von 40° bis 50° zur Horizontalen aufgestellt. Um die Sonnenkollektoren herum sind auf diesem Hausdach auch Solarzellen zur Umwandlung in elektrische Energie angebracht (siehe Kap. 51). 8.6 Modell einer Solaranlage, gebaut von den Schülerinnen und Schülern der MS I, Gleisdorf. Die Ausbreitung von Wärmeenergie kann durch Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung erfolgen. Die Ausbreitung der Wärmeenergie ohne Vorhandensein eines Stoffes heißt Wärmestrahlung. Körper mit dunkler und matter Oberfläche strahlen mehr Wärmeenergie ab als Körper mit heller und glänzender Oberfläche. Sie absorbieren aber auch mehr Wärmeenergie. Helle und glänzende Flächen reflektieren die einfallende Strahlung wesentlich stärker als dunkle und matte Flächen. Sonnenkollektoren nützen die Absorption der Strahlungsenergie durch dunkle Flächen aus. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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