Grundlagen der Thermodynamik, Physik und Energietechnik .1 Grundlagen der Thermodynamik, Physik und

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Grundlagen der Thermodynamik, Physik und Energietechnik Abstract / Zusammenfassung des Lernfelds

Das zentrale Thema vieler globaler Herausforderungen ist Energie und ihre Bereitstellung. Das vorliegende Lernfeld fhrt in die technischen Grundlagen ein, die fr die Umwandlung von Energie wesentlich sind. Die unterschiedlichen Energieformen werden ebenso erklrt wie die verschiedenen Maeinheiten zu deren Quantifizierung. Mit der Thermodynamik werden die fundamentalen Gesetzmigkeiten der Energieumwandlung beschrieben, vom Prinzip der Energieerhaltung bis zur Unterscheidung von Energieformen nach ihrer technischen Arbeitsfhigkeit (Exergie/Anergie). Abschlieend werden die erneuerbaren Energieformen in ihrem Zusammenhang mit den primren Energiequellen dargestellt.

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Inhaltsverzeichnis

1. LERNZIELE .......................................................................................................................... 4

2. ZUM NACHDENKEN ... ......................................................................................................... 4

3. EINLEITUNG ........................................................................................................................ 5

4. IN WELCHER FORM TRITT ENERGIE AUF?......................................................................... 8

4.1. Mechanische Energie ................................................................................................... 8

4.2. Elektrische Energie....................................................................................................... 9

4.3. Magnetische Energie .................................................................................................. 11

4.4. Strahlungsenergie ...................................................................................................... 12

4.5. Chemische Energie .................................................................................................... 12

4.6. Kernenergie ................................................................................................................ 12

4.7. Thermische Energie (Wrmeenergie) ........................................................................ 13

4.8. Zum ben... ................................................................................................................ 13

5. WELCHE MAEINHEITEN FR ENERGIE GIBT ES? ...........................................................15

5.1. Zum ben... ................................................................................................................ 17

6. WIE WIRD ENERGIE BERECHNET? ....................................................................................18

6.1. Berechnung von potenzieller Energie ........................................................................ 18

6.2. Berechnung von kinetischer Energie ......................................................................... 21

7. HAUPTSTZE DER THERMODYNAMIK ..............................................................................23

7.1. 1. Hauptsatz der Thermodynamik .............................................................................. 24

7.2. 2. Hauptsatz der Thermodynamik .............................................................................. 25

7.3. Zum ben... ................................................................................................................ 27

8. ERNEUERBARE ENERGIE UND IHRE FORMEN..................................................................28

8.1. Die Sonne als Energiequelle ...................................................................................... 28

8.2. Die Erde als Energiequelle ......................................................................................... 29

8.3. Wie wird erneuerbare Energie umgewandelt und nutzbar gemacht? ....................... 29

8.4. Zum ben... ................................................................................................................ 30

9. QUELLEN............................................................................................................................31

10. BERSICHT AUFGABEN .................................................................................................32

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11. ABBILDUNGSVERZEICHNIS ...........................................................................................34

12. TABELLENVERZEICHNIS ................................................................................................34

13. IMPRESSUM ....................................................................................................................35

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1. Lernziele

Die wichtigsten technischen Energieformen nennen Verschiedene technische Energieformen beschreiben Maeinheiten fr Energie zuordnen Fr die Energietechnik wichtige Energieformen berechnen Die ersten zwei Hauptstze der Thermodynamik erklren Die Zusammenhnge zwischen den Formen erneuerbarer Energie und ihre primren

Quellen darstellen

2. Zum Nachdenken ...

Aufgabe 1: Welche Formen von Energie kennen Sie aus Ihrem Alltag?

Abbildung 1: Die bertragung von Wrmeenergie beschrieben im 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Quelle: Stefan Prokupek, GrAT)

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3. Einleitung

Als Einstieg in die Thermodynamik und die Energietechnik ist es hilfreich, sich die Frage zu stellen, was denn eigentlich Energie ist.

Schauen Sie nach auf YouTube! Was ist Energie?

http://www.youtube.com/watch?v=2qFLhKayuyQ

Dauer: 3:38 min.

Eine eindeutige Antwort auf die Frage Was ist Energie? ist nicht so einfach. Auch nicht eindeutig ist, welche wissenschaftliche Disziplin sich vorrangig mit Energie beschftigt. Dies hat unter anderem damit zu tun, dass alle Organismen Energie bentigen, Energie fr alle Vernderungen notwendig ist und dass Energie in sehr unterschiedlichen Formen vorkommt und dementsprechend im Alltag auch unterschiedlich wahrgenommen wird. Beispiele sind Strom (bertragung elektrischer Energie), Warmwasser (Wrmeenergie), ein Schwungrad (kinetische Energie) und Brennstoffe (chemisch gebundene Energie). Pflanzen wiederum wandeln Strahlungsenergie in chemische Energie um. In der Biomasse ist also chemische Energie gespeichert. Kurz: Energie bestimmt smtliche Aspekte unseres Lebens. Entsprechend diesem Charakter von Energie beschftigen sich neben der Physik auch die Biologie und die Chemie mit ihr.

Was ist Energie im physikalischen Sinne?

Die Energie ist eine fundamentale physikalische Gre, die immer in Zusammenhang mit einer Wirkung steht. Energieumwandlung ist der Kernprozess jeder Wirkung und somit die wesentliche Gre alles Lebens und jeder Vernderung. Durch diese Eigenschaft definiert sich auch ihr wirtschaftlicher Wert.

Energie ist die Voraussetzung dafr, dass Vernderungen stattfinden, wobei der Grundsatz gilt, dass Energie weder erzeugt noch verbraucht werden kann. Energie wird immer nur umgewandelt, transportiert oder gespeichert.

Energie tritt in vielen Energieformen auf und kann wiederum durch Umwandlung in andere Formen gebracht werden.

Was ist ein physikalisches System?

Als (thermodynamisches) System wird in der Physik ein abgegrenzter Bereich bezeichnet, wobei das Ziehen von Systemgrenzen nicht immer einfach ist. Je nach Art der Abgrenzung wird von offenen und geschlossenen bzw. abgeschlossenen Systemen gesprochen.

http://www.youtube.com/watch?v=2qFLhKayuyQ

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Bei offenen Systemen findet sowohl Energie- als auch Stoffaustausch statt. Ein anschauliches Beispiel fr ein offenes physikalisches System ist der offene Topf mit kochendem Wasser.

Bei einem geschlossenen System findet ein Energieaustausch statt, aber kein Stoffaustausch. Ein Beispiel dafr ist ein Zylinder eines Stirlingmotors.

Bei abgeschlossenen Systemen finden weder Energie- noch Stoffaustausch statt. Dabei handelt es sich allerdings um vereinfachte Idealmodelle, welche in der Natur nicht vorkommen. Ein Beispiel dafr ist ein isoliertes, abgeschlossenes Gef. Die Gesamtenergie bleibt gleich (Energieerhaltungsgesetz).

Energie kann auch als Zustandsgre eines physikalischen Systems definiert werden, das heit, man kann durch sie ein physikalisches System beschreiben. Mathematisch beschreiben kann man ein System durch sogenannte Zustandsgleichungen.

Unter dem Zustand eines physikalischen Systems ist der innere Zustand eines Systems zu verstehen. Charakterisiert wird dieser durch Zustandsgren wie die (innere) Energie, wobei extensive und intensive Zustandsgren unterschieden werden.

Extensive Zustandsgren sind unter anderem das Volumen, die Stoffmenge, die Masse, die innere Energie, Enthalpie (Wrmeinhalt) und Entropie. Diese Zustandsgren bleiben konstant, wenn sich ein System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Wird aber einem System beispielsweise Wrme zugefhrt, so erhht sich die innere Energie.

Intensive Zustandsgren sind systeminterne Gren wie Temperatur oder Druck. Das charakteristische an den intensiven Zustandsgren im Gegensatz zu den extensiven ist, dass sie von der Gre eines Systems unabhngig sind.

Wenn sich in einem physikalischen System etwas ndert, dann spricht man von einem thermodynamischen Prozess. Beschrieben werden kann ein Prozess durch sogenannte Prozessgren: Wrme und Arbeit. Arbeit kann beispielsweise in Form von mechanischer Arbeit oder Volumenarbeit verrichtet werden.

Physikalische Systeme und energiewandelnde Prozesse sind vor allem dann von Interesse, wenn es um die Frage ge