BAD_1077102 - strauch

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Bedienungsanleitung
107.7102 Quick-Cool-ThermoSchülerSet
nach Prof. Dieter Plappert, Freiburg i.Br.
1.
Didaktische Vorbemerkungen
In einem kumulativ aufgebauten Physikunterricht spielen wenige grundlegende Konzepte
eine zentrale Rolle, die in möglichst vielen Bereichen angewandt werden können. Wie in
[1] und [2] ausführlich beschrieben sind das „Energie-Träger-Konzept“ und das „StromAntrieb-Konzept“ (Anhang 1) geeignet, sehr viele Phänomenbereiche miteinander zu vernetzen. Durch den neu konzipierten „thermischen Energie-Träger-Stromkreis“ (108.0703)
und dem neu entwickelten „Qick-Cool-ThermoSchülerSet“ (107.7102) gelingt es den
Schülerinnen und Schülern die zuvor in anderen Gebieten entwickelten Konzepte fast wie
selbstverständlich auf Erscheinungen der Wärmelehre zu übertragen. Durch Fragestellungen aus ihrer Erfahrungswelt gelingt es ihnen nicht nur den thermodynamischen Entropiebegriff anschaulich zu bilden und gegen den Energiebegriff abzugrenzen, sondern
diesen auch selbständig auf neue Fragestellungen anzuwenden: „Sind elektrische Wärmepumpen ökologisch sinnvoll?“ „Warum brauchen thermische Kraftwerke eine Kühlung?“ „Warum kann die thermische Energie der Weltmeere nicht für unsere Energieversorgung verwe ndet werden?“ Auf dem auf diese Weise im Physikunterricht eingeführten
Entropiebegriff kann auch in anderen Naturwissenschaften, z. B. in der Chemie der Kursstufe, gewinnbringend zurückgegriffen werden. In [3] und [4] ist ein entsprechender Unterrichtsgang ausführlich beschrieben.
2.
Das Qick-Cool-ThermoSchülerSet
Das Quick-Cool-ThermoSchülerSet besteht aus
•
zwei Peltierelementen (1),
•
zwei Aluprofilen (2),
•
zwei Behältern (3),
•
zwei Kammern (4),
•
einem Motor mit Propeller (5) mit
einem Magnet zur Befestigung des
Motors.
(3)
(2)
(4)
(5)
(1)
(5)
Abb. 1: Die Bestandteile des Quick-Cool-ThermoSchülerSets
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3.
unterrichtliche Voraussetzungen
Sinnvoll ist es, die im Folgenden dargestellten Inhalte vor der Behandlung der hier beschriebenen Versuchsreihe zu behandeln. Natürlich können diese Versuche auch in a nders aufgebauten Unterrichtsgängen gewinnbringend eingesetzt werden.
Ein allgemeiner Energiebegriff
wird eingeführt: immer wenn
sich etwas bewegt, wenn e twas geheizt wird, ... wird Energie benötigt, die Energie
kommt immer irgendwo her,
geht immer irgendwo hin. Außerdem werden z.B. mithilfe
des hydraulischen EnergieTräger-Stromkreises (Abb. 2)
Abb. 2: hydraulischer Energie-Träger-Stromkreis (108.0700)
oder des in Abbildung 3 dargestellten „Wasserkraftwerks“
die Begriffe Energie und Energieträger differenziert und die zentrale Regel formuliert:
Energie und Träger können
immer dann klar voneinander
unterschieden werden, wenn
sie verschiedene Wege nehmen.
In Abbildung 1 strömen Wasser und Elektrizität im Kreis, es
werden jeweils zwei Verbindungen benötigt. Die Energie
strömt zunächst mit dem Wasser bzw. mit dem Wasserstrom
bis zum Wassergenerator, dann
mit der Elektrizität bzw. dem
elektrischen Strom weiter zum
Abb. 3: „Wasserkraftwerk“ (108.0700)
Lüfter. Wasser und Elektrizität
nehmen jedoch einen anderen
Weg. Sie haben die Aufgabe eines „Energieträgers“: das Wasser wird in der Pumpe mit
Energie beladen, es trägt die Energie zur „Turbine“ des Wassergenerators. Dort wird die
Energie vom Wasser auf Elektrizität umgeladen. Das Wasser strömt dann zur Pumpe zurück, um von neuem mit Energie beladen zu werden. Entsprechend strömt die Energie
vom Wassergenerator mit der Elektrizität zum Elektromotor des Lüfters…
In Abbildung 2 strömt das Wasser von einem Behälter in den anderen, die Energie wird
jedoch von der Turbine vom Wasser abgeladen und strömt danach mit der Elektrizität
zum Motor, zum Propeller. Detaillierte Ausführungen sind in [1] und in der Betriebsanleitung zum hydraulischen Energieträgerstromkreis zu finden.
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4.
Beispiele für Versuchsanordnungen
Im Folgenden werden als Anregung zur Erstellung eigener Arbeitsblätter einige der
vielen möglichen Versuchsanordnungen beschrieben. Ich würde mich freuen,
wenn Sie mir weitere Beispiele als Anregung zur Ergänzung der Betriebsanleitung
zusenden. (post@plappert-freiburg.de).
4.1. Thermische Kraftwerke
Frage: Müssen thermische Kraftwerke immer gekühlt werden?
Versuchsaufbau:
1. Lege das mit den Anschlussklemmen versehene Peltierelement auf ein Aluminiumprofil, dann das andere Aluminiumprofil auf das Peltierelement. Die Anschlüsse sollen seitlich herausschauen.
2. Mit der Kammer das Peltierelement zwischen den Peltierelementen festklemmen.
3. Den Magneten ganz vorne an der Klammer befestigen. Den
Motor darauf geheftet, nachdem den Propeller auf der Achse
gedrückt wurde. Der Propeller muss sich frei drehen können.
4. Die Anschlüsse von Motor und Peltierelement verbinden. Dazu die Klemme ganz eindrücken und das Kabel des Motors in
die freigewordene Öffnung tief hineinstecken.
5. Die Behälter nebeneinander stellen und die Aluminiumprofile
über die Behälterränder ziehen, so dass in jedem Behälter ein
Profil steht.
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Versuchsdurchführung:
• Fülle beide Behälter zunächst mit kaltem, anschließend mit warmen (etwa 50 0C) und
dann den einen Behälter mit warmen und den anderen mit kaltem Wasser.
• Fülle anschließend einen Behälter mit kaltem Wasser aus dem Wasserhahn und den
anderen Behälter mit Eis- Wasser.
• Beschreibe und erkläre den Versuchsablauf.
Weitere Fragen:
• Ergänze die folgenden Sätze: „Je größer
………………………………… ist, desto …………
dreht sich der Lüfter. Daran kann man erkennen, dass
je …………………….. ist, der Lüfter umso mehr Energie
bekommt.“
• Beschreibe die Entsprechungen und die Unterschiede
des hier aufgebauten „thermischen Kraftwerks“ und der
in Abbildung 3 und 4 dargestellten „Wasserkraftwerke“.
• Beschreibe die Entsprechungen und die Unterschiede
des hier aufgebauten „thermischen Kraftwerks“ und des
in Abbildung 5 dargestellten Kohlekraftwerks.
Abb. 4: Wasserkraftwerk
Anmerkungen: Hintergründe zur Physik thermische Kraftwerke sind in Anhang 2 zu finden.
Abb. 5: Kohlekraftwerk
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Ergebnisse:
•
Je größer die Temperaturdifferenz ist, umso mehr Energie wird im Peltierelement
abgeladen werden,
•
Es muss ein „Energieträger“ vom warmen Wasser, durch das erste Aluminiumprofil,
durch das Peltierelement, durch das zweite Aluminiumprofil in das kalte Wasser
strömen.
•
Dieser Energieträger wird in der Physik „Entropie“ genannt.
•
Im thermischen Kraftwerk wird umso mehr Energie von der Entropie geladen, je größer die Temperaturdifferenz ist.
•
Auch bei einem Kohlekraftwerk kommt es auf die Temperaturdifferenz zwischen
Kessel und Kühlwasser an.
•
Je größer die Temperaturdifferenz ist, umso mehr Energie wird im Kraftwerk von der
Entropie abgeladen, umso größer ist der Wirkungsgrad eines thermischen Kraftwerks.
•
Der„Kühlausgang“ eines Kraftwerks hat eine dem Wasserabfluss eines Wasserkraftwerks analoge Bedeutung : dort strömt die Entropie aus dem Kraftwerk heraus,
in den Fluss bzw. den Kühlturm.
4.2. Entropie strömt
Frage: Woran kannst du den Entropiestrom in Versuch 4.1. erkennen?
Versuchsaufbau: wie Versuch 4.1. zusätzlich Thermometer und Stoppuhr (Abb. 6)
Versuchsdurchführung:
•
Fülle den einen Behälter
mit warmen (etwa 50 0C)
und den anderen mit kaltem Wasser.
•
Miss jede Minute die
Temperatur des Wassers in beiden Behältern
und stelle den Temperaturverlauf geeignet grafisch dar.
•
Aus welchen Beobachtungen kannst du
schließen, dass Entropie
Abb. 6: Messung mit zwei verschiedenen „Thermometern“
vom warmen zum kalten
Wasser strömt?
•
Beschreibe den analogen hydraulischen Versuch. Kann man dort das Wasser strömen sehen?
•
Wiederhole den Versuch, jedoch soll die Menge des warmen Wassers (etwa 50 0C)
nur halb so groß sein wie die des kalten Wassers. Sage voraus, was sich am Versuchsablauf ändern wird und begründe deine Voraussage.
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•
Vervollständige den folgenden Sätze: „Je höher die Temperatur des Wassers ist,
umso ……………………. Entropie enthält das Wasser, je größer die Menge des
Wassers ist, umso …………………. Entropie enthält das Wasser.
Ergebnisse:
•
Dass Entropie strömt, können wir aus den folgenden Beobachtungen schießen: die
Temperatur des Wassers in dem einen Behälter nimmt ab, die des anderen zu; beide Behälter sind durch die Aluprofile miteinander verbunden.
•
Je höher die Temperatur des Wassers ist, umso mehr Entropie enthält das Wasser.
•
Je größer die Wassermenge ist, umso mehr Entropie enthält das Wasser bei derselben Temperatur.
•
Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto mehr Entropie strömt pro Zeiteinheit
von dem einen Behälter zum anderen, desto größer ist die Stärke des Entropiestroms.
4.3. Das Peltierelement als „Wärmepumpe“
Manche Bauteile können wie etwa Motor und Dynamo in unterschiedlicher „Richtung“ verwendet werden.
Frage: Kann das Peltierelement auch „umgekehrt“ betrieben werden?
1.
Versuchsaufbau: Abbildung 7 (mit Flachbatterie)
Versuchsdurchführung:
•
Nimm das Peltierelement zwischen die Finger und beschreibe deine Beobachtungen.
•
Erkläre deine Beobachtungen.
Abb. 7: Peltierelement an Batterie
2.
Versuchsaufbau: wie Abbildung 8 mit
Thermometer und Stoppuhr.
Das Peltierelement wird mit Gleichstrom (maximal 6 A und 15 V) betrieben.
Versuchsdurchführung:
•
Fülle beide Behälter zur Hälfte mit kaltem
Wasser.
•
Schalte das Netzgerät ein, miss jede Minute die Temperatur des Wassers in beiden
Behältern und stelle den Temperaturverlauf
geeignet grafisch dar.
•
Beschreibe und erkläre den Versuchsablauf.
Abb. 8: Das Peltierelement als Wärmepumpe
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weitere Fragen:
•
Die Erhöhung der Wassertemperatur in dem einen Behälter ist größer als die Temperaturerniedrigung in dem anderen. Kannst du dir das erklären? In 4.8. kommen wir
auf diese Frage zurück.
•
Erläutere den folgenden Satz: „Jeder Kühlschrank ist eine Entropiepumpe!“
•
Peltierelemente werden in Computern zur Kühlung von Prozessoren eingesetzt. Begründe, warum trotzdem auf der Rückseite eines Computers Abwärme ankommt.
•
Erläutere den folgenden Satz: „Ist die Klimaanlage eines Autos im Sommer eingeschaltet, so ve rbraucht das Auto mehr Benzin!“
•
Überleg dir, was passiert, wenn man mit einer Entropiepumpe einen Gegenstand
„entropieleer“ pumpt.
Ergebnisse:
•
Peltierelemente können als Entropiepumpe betrieben werden; sie pumpen Entropie
entgegen einer Temperaturdifferenz. Dazu benötigen sie Energie.
•
Ein Kühlschrank ist eine Entropiepumpe: aus dem Inneren des Kühlschranks wird
Entropie auf die Rückseite des Kühlschrankes gepumpt.
•
Zur Kühlung eines Computers kann ein Peltierelement die Entropie vom Prozessor
weg zur Rückseite des Computers pumpen.
•
Klimaanlagen sind Entropiepumpen, die zum Antrieb Energie benötigen.
•
Der absolute Temperaturnullpunkt (-273 0C) ist zugleich auch der Entropienullpunkt
jedes Gegenstandes.
4.4. Wasser schnell gefroren
Frage: Kann man mit dem Peltierelement einem Wassertropfen so viel Entropie entziehen, dass er gefriert?
Versuchsaufbau: Abbildung 9 mit massivem Aluklotz und
kleinem Wassertropfen auf der Oberseite des Peltierelements.
Versuchsdurchführung:
Schalte das Netzgerät ein; das Peltierelement wird mit Gleichstrom (maximal 6 A und 15 V) betrieben.
•
Beschreibe und erkläre den Versuchsablauf.
Ergebnis:
•
Das Peltierelement kann so viel Entropie aus dem Wasser heraus pumpen, dass es nach kurzer Zeit gefriert.
Abb. 9: Gefriert der Tropfen?
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4.5. Der Entropiestromkreis
Frage: Kann aus zwei Peltierelementen ein Entropiestromkreis aufgebaut werden?
Versuchsaufbau: Abbildung 10
Versuchsdurchführung:
Schalte das Netzgerät ein; das Peltierelement wird mit Gleichstrom
(maximal 6 A und 15 V) betrieben.
•
Achtung: Das Peltierelement
darf nicht zu heiß werden Verbrennungsgefahr!
•
Fühle bzw. miss die Temperaturen der Aluprofile.
Entferne die „Rückleitung“
des Entropiestromkreises für
Abb. 10: Entropiestromkreis
kurze Zeit. Beschreibe deine
Beobachtungen.
Beschreibe, was sich bei einem Wasserstomkreis, einem elektrischen Stromkreis
und einem Entropiestromkreis entspricht und was nicht.
•
•
Ergebnisse
•
Aus zwei Peltierelementen und
zwei „Wärmeleitern“ kann ein
Entropiestromkreis
aufgebaut
werden kann.
•
Abbildung 11 zeigt das zugehörige Energieflussbild .
•
Die Entropie strömt im Kreis, die
Energie dagegen von einem Peltierelement zum anderen.
•
Je größer die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Keramikflächen der Peltierelemente
ist, desto schneller dreht sich der
Propeller, desto mehr Energie
wird übertragen.
29 0C
Wärmepumpe
27 0C
ENERGIE
17 0C
Thermokraftwerk
19 0C
Entropie
Abb. 11: Schematische Darstellung eines Entropiestromkreis
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4.6. „Thermotransformator“
Frage: Hat der in Abbildung 12 dargestellte Versuchsaufbau
einen Sinn?
Versuchsaufbau: Abbildung 13. Es wird zusätzlich ein elektronisches Thermometer benötigt.
Versuchsdurchführung:
•
Fülle den einen Behälter mit warmen (etwa 60 0C) und
Abb. 12 Ist dies sinnvoll?
den anderen mit kaltem Wasser.
•
Fühle bzw. miss die Temperatur der beiden
Keramikflächen des 2. Peltierelements.
•
Begründe, dass dieser Versuchsaufbau im
Prinzip im Sommer als „solargetriebene Klimaanlage“ verwendet werden kann.
•
Erläutere den folgenden Satz: „Dieser Versuchsaufbau entspricht im Prinzip einer „elektrisch betriebenen Wärmepumpe“, wie sie heute oft zu Heizzwecken eingesetzt wird.“
•
Versuche zu begründen, warum eine „elektrisch betriebenen Wärmepumpe“ nicht not- Abb. 13: „thermisch betriebene Wärmepumpe“
wendiger Weise ein Unsinn ist.
Ergebnisse
•
Im ersten Peltierelement wird von einem Entropiestrom Energie abgeladen. Diese
Energie wird benützt, um mit dem 2. Peltierelement Entropie zu pumpen.
•
Wird mit einem geschwärzten Peltierelement vom Entropiestrom des Sonnenlichts
Energie abgeladen, so könnte mit dieser Energie eine Entropiepumpe an anderer
Stelle als Klimaanlage betrieben werden.
•
Die Energie, mit der eine „elektrisch betriebene Wärmepumpe“ zu Heizzwecken betrieben wird, stammt zu einem großen Teil von thermischen Kraftwerken her. Dort
wird sie von einem Entropiestrom abgeladen. Mit dieser Energie kann dann beim
Heizen mit einer „Wärmepumpe“ Entropie aus dem Erdreich in das Haus gepumpt
werden. In [4] ist hierzu eine quantitative Abschätzung zu finden.
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4.7. Messung der Entropiestromstärke
Frage: Was kann man an der Spannung eines Peltierelements erkennen?
Versuchsaufbau: Abbildung 14, das Peltierelement
ist auf das Aluprofil geklemmt, die Temperatur des
Aluprofil dient als Referenz, Multimeter als Spannungsmesser (mV); es werden zusätzlich zwei Messstrippen („Krokokabel“) benötigt.
Versuchsdurchführung:
•
Lege deine Handfläche auf die Keramikfläche des
Peltierelements und miss die Spannung.
•
Wiederhole den Versuch aber lege dieses Mal
verschiedene Materialien zwischen Hand und Keramikfläche, wie etwa Papiertaschentuch, Holzbrett, Alufolie, Styroporplatte… und miss die
Spannung.
•
Begründe, dass die hier gemessene Spannung
anzeigt, ob die Stärke des Entropiestroms groß
oder klein, bzw. ob das Material zwischen Hand
und Peltierelement Entropie gut oder schlecht leitet.
•
Verdopple die Dicke der Materialschicht. Beschreibe und erkläre den Versuchsablauf.
•
Nenne 5 gute und 5 schlechte Entropieleiter!
Abb. 14: Untersuchung der Entropieleitfähigkeit
Ergebnisse
•
Je größer die Stärke des Entropiestroms ist, der durch ein Peltierelement hindurch
fließt, desto größer ist die am Peltierelement gemessene („Leerlauf“-)Spannung .
•
Ein Peltierelement kann zur Messung der Entropiestromstärke und zum Vergleich
der Entropieleitfähigkeit verschiedner Materialien verwendet werden.
Anmerkung: In [4] ist eine Anleitung zur quantitativen Messung der Entropiestromstärke
zu finden.
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4.8. „Entropie kann erzeugt aber nicht vernichtet werden!“
Frage: Worin liegt der grundsätzliche Unterschied der in
Abbildung 15 dargestellten
Arten der „Wärmeerzeugung“.
Versuchsaufbau: Abbildung
16, mit zusätzlicher Styroporplatte und einem Netzgerät.
Versuchsdurchführung:
• Betreibe das PeltiereleAbb. 15. Zwei Arten der „Wärmeerzeugung“
ment nacheinander bei
beiden Anordnungen als
Wärmepumpe, so dass sich die Temperatur der oberen Fläche des Peltierelements
erhöht. (Ne ztgerät: maximal 6 A und 12 V).
Achtung: Das Peltierelement darf nicht zu heiß werden Verbrennungsgefahr!
•
•
Begründe, wie es sein kann, dass bei der Versuchsanordnung mit Styroporplatte Entropie aus dem Peltierelement
herausströmt; der Entropieeingang des Peltierelements ist
doch durch die Styroporplatte verstopft.
Entferne bei beiden Versuchsanordnungen die Klammer,
schließe den Lüfter an und stelle auf die obere Fläche einen mit warmen Wasser (etwa 50 0 C). Beschreibe und begründe den unterschiedlichen Versuchsablauf.
Abb. 16: Worin liegt der
Unterschied?
weitere Fragen:
• Begründe, warum jedes thermische Kraftwerk einen „Kühlausgang“ benötigt.
• Begründe, warum ein Schiff in der Südsee nicht mit der „Wärme“ des Meers angetrieben werden kann.
• Erläutere die folgende Aussage: „Energieverbrauch heißt nicht, dass Energie verschwindet sondern nur, dass immer ein bestimmter Teil der eingesetzten Energie wegen der Entropieerzeugung nicht mehr genutzt werden kann, also „verloren geht“.
Ergebnisse
• Entropie kann erzeugt aber nicht vernichtet werden.
• Irreversible Vorgänge sind wegen der Entropieerzeugung irreversibel.
• Irreversible Vorgänge können nur unter Energiezufuhr rückgängig gemacht werden.
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5.
einige zusätzliche Versuche zur Einführung des Energiebegriffs
Die Bauteile des Quick-Cool-ThermoSchülerSets ermöglichen viele weitere Versuchsanordnungen. Im Folgenden seinen einige exemplarisch genannt, die zu einer elementaren
Einführung eines anschaulichen Energiebegriffs genützt werden können.
5.1.
„Wie kann der Lüfter angetrieben werden?“
Versuchsaufbau: Abbildung 17 (Lüfter ohne Peltierelement), zusätzlich mit Flachbatterie, Solarzelle, Krokokabel
Versuchsdurchführung:
• Versuche den Lüfter auf möglichst viele unterschiedliche Arten anzutreiben.
Ergebnisse:
• Der Lüfter braucht wie alle Maschinen „Etwas“ zum Antrieb.
• Das, was zum Antrieb benötigt wird, nennt man Energie.
• Elektrizität (elektrische Ladung), Licht, Wind, „Wärme“ (Entropie),… transportieren
Energie;
• Licht, Wind, „Wärme“ (Entropie),… haben die Funktion eines Energieträgers.
• Energie strömt von einer Stelle zu einer anderen, z. B. von der Sonne mit dem Energieträger Licht zur Solarzelle, von dort mit dem Energieträger Elektri zität zum Lüfter,
von dort mit dem Wind ins Zimmer, … .
Mögliche Versuchsaufbauten
Antrieb mit Batterie
Antrieb mit Solarzelle
Antrieb mit Thermoelement
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Anhang1 :
Das „Energie-Träger-Konzept“
Energie strömt nie allein, bzw. wird nie
allein ausgetauscht, sondern immer mit
einer zweiten physikalischen Größe zusammen. Diese zweite Größe kennzeichnet die „äußere Erscheinungsform“ des
Energietransports. Um die Energie klar
von den begleitenden Größen zu unterscheiden, wurde der in Abbildund 1 dargestellte Versuchsaufbau [4] entwickelt,
durch den die Schülerinnen und Schüler
diesen Unterschied bildhaft erleben können: Eine mit einem Netzgerät verbundeAbb. 1: Der Energie-Träger-Stromkreis
ne Pumpe (1) treibt Wasser an, das Wasser einen „Wassergenerator“ (3) und
dieser einen elektrischer „Lüfter“ (4).
Da ein Propeller zum Antrieb Energie
benötigt, kann der „Weg“ der Energie
WasserPumpe
ENERGIE
ENERGIE
zurückverfolgt werden: sie kommt vom
generator
Lüfter
„Wassergenerator“, von der Pumpe,
vom Netzgerät bzw. von einem Kraftwerk,.... Die Energie ist das, was durch
Wasser
Elektrizität
alle Stationen hindurch geht. Dies wird
Abb. 2: Energie ist das, was hindurch strömt!
durch die Energiepfeile symbolisiert
Wasser und Elektrizität strömen im Kreis.
(Abb. 2). Auf diese Weise wird der „Erhaltungsaspekt“ der Energie betont.
Das Wasser und die Elektrizität nehmen dagegen andere Wege: sie strömen im Kreis.
Wasserstromkreis
2 bar
Pumpe
1,5 bar
ENERGIE
0 bar
Turbine
0,5 bar
Elektrischer Stromkreis
4V
Dynamo
p
ENERGIE
0V
Wasser
Hinweis: Die angegebenen Werte des Drucks beziehen sich
auf den am „Eingang“ der Pumpe gewählten Nullpunkt. Der
Druck nimmt längs des Leiters ab, da wir hier von Schläuchen
mit nicht zu vernachlässigendem Widerstand ausgehen.
3,5 V
Lüfter
0,5 V
Elektrizität
Hinweis: Die angegebenen Werte des elektrischen Potenzials
beziehen sich auf den am „Eingang“ des Dynamos gewählten
Nullpunkt. Das elektrische Potenzial nimmt längs des Leiters
ab, da wir hier von Kabeln mit nicht zu vernachlässigendem
Widerstand ausgehen.
Abb. 3: Die Analogie von Wasserstrom- und elektrischem Stromkreis
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Deshalb werden zwischen Pumpe und Turbine zwei Schläuche, zwischen Generator und
Lüfter zwei Kabel benötigt. Dass die Energie und die zweite am Energietransport beteiligte physikalische Größe unterschiedliche Wege nehmen, ist ein entscheidendes Kriterium,
durch das wir die Energie von den sie begleitenden Größe unterschieden können. Die
Tatsache, dass Energie nie alleine strömen kann, sondern im mer zusammen mit einer
zweiten Größe strömen muss, können wir durch das „Energie-Träger-Bild“ verbildlichen.
Die zweite physikalische Größe hat die Aufgabe eines „Energieträgers“: in der Pumpe
wird Energie auf den Energieträger Wasser, im Generator auf den Energieträger Elektrizität geladen. Das Wasser bzw. die Elektrizität transportieren die Energie zum Wassergenerator bzw. zum Lüfter. Dort wird sie auf einen nächsten Energieträger „umgeladen“.
Das Wasser bzw. die Elektrizität strömen durch die zweite Verbindung zurück, um von
Neuem mit Energie beladen zu werden.
Fragen wie: „Worin unterscheidet sich eigentlich das Wasser in Abbildung 1 vor und nach
dem Wassergenerator?“ „Worin unterscheidet sich die Elektrizität vor und nach dem Lüfter?“ führen zu den Begriffen „Druck p“ und „elektrisches Potenzial ϕ“. Beide physikalische Größen haben eine analoge Bedeutung: sie geben an, wie viel Energie von dem
jeweiligen Energieträger transportiert wird. Ihre Differenz ∆p bzw. ∆ϕ gibt an, wie viel Energie in einem System vom Wasser bzw. von der Elektrizität aufgeladen, bzw. abgeladen wird. In der angegebenen Literatur wird ausführlich dargelegt, wie diese im Anfä ngerunterricht bildhaft eingeführten Konzepte im weiterführenden Unterricht immer weiter
geschärft und präzisiert werden können. In Abbildung 3 und 4 ist das Energie-TrägerKonzept übersichtsartig zusammengefasst.
Wasserstromkreis
Es strömt Energie von der Pumpe zur Turbine.
Elektrischer Stromkreis
Es strömt Energie vom Dynamo zum Motor.
Das Wasser ist der Energieträger.
Die Pumpe belädt das Wasser mit Energie.
Die Turbine lädt Energie vom Wasser ab.
Die Elektrizität ist der Energieträger
Der Dynamo belädt die Elektrizität mit Energie
Der Motor lädt Energie von der Elektrizität ab.
Die Druckdifferenz ∆p gibt an, wie viel Energie in Die Differenz des el. Potentials ∆ϕ = U (el.
einem Umlader auf bzw. vom Wasser abgeladen
Spannung) gibt an, wie viel Energie in einem
wird.
Umlader auf bzw. von der Elektrizität abgeladen
wird.
Die Energiestromgleichung IE = ∆p ⋅IW gibt die Die Energiestromgleichung IE = U⋅IQ gibt die
Stärke des Energiestroms an, der in einem Um- Stärke des Energiestroms an, der in einem Umlader mit einem Wasserstrom verbunden bzw. von lader mit einem elektrischen Strom verbunden
einem Wasserstrom getrennt wird.
bzw. von einem elektrischen Strom getrennt wird.
Abb. 3: Das Energie-Träger-Konzept
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Anhang 2
zur Physik thermischer Kraftwerke
Im Prinzip sind alle thermischen Kraftwerke gleich aufgebaut: in einem Kessel wird Wasser verdampft, der Dampf treibt Turbinen an und wird im Kondensator kondensiert; das
dabei entstehende Wasser wird durch eine Speisewasserpumpe in den Kessel zurücktransportiert.
Nur ein Teil der zugeführten Energie kann von der Turbine vom Dampf abgeladen we rden. Das Verhältnis von genutzter zu zugeführter Energie wird üblicherweise der Wirkungsgrad genannt. Der Wirkungsgrad von Kohlekraftwerk beträgt etwa 40 %, der eines
Kernkraftwerks etwa 30 %. Die Überlegungen von Sadi Carnot (…) führten zu der Überzeugung, dass der Wirkungsgrad nicht von den Druckdifferenzen zwischen Eingang und
Ausgang der Turbine sondern ausschließlich von der Temperaturdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der Turbine abhängig ist. Carnots Überlegung ist in (Material historisch) dargestellt.
Wozu braucht ein thermisches Kraftwerk einen Kühlturm?
Energiebetrachtung:
Im Kessel wird beim Verbrennen
die Energie der Brennstoffe zum
T
Erhitzen und Verdampfen des
Wassers verwendet. Ein Teil dieE
ser Energie (Kernkraftwerk 30 %,
Kohlekraftwerk 40%) wird in der
Kessel
Turbine vom Dampf „abgeladen“,
zum Generator geleitet und dort
anschließend mit dem elektrischen Strom weitertransportiert.
Ein Großteil der Energie verlässt
Turbine
zum GeneKondensaT
K
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mit dem Kühlwasser des Kondensators das Kraftwerk ungenutzt 1. Carnot hat theoretisch
gezeigt, dass das Verhältnis von nutzbarer zu eingesetzter Energie umso größer ist, je
größer die Differenz der Te mperatur des Dampfes TE, der in die Turbine eintritt und der
Temperatur des Dampfes TK, mit der er im Kondensator kondensiert, ist. Alle praktischen
Versuche, den Wirkungsgrad durch die Wahl von geeigneten Stoffen zu verbessern, die
bei gleicher Temperaturdifferenz größere Druckdifferenzen erzeugen, waren zuvor gescheitert.
Entropiebetrachtung (nach Carnot):
Die Energie strömt mir der Entropie, zusammen durch die Turbine. Je größer die Temperaturdifferenz ? T = TE - TK ist, desto mehr Energie lädt die Turbine von der Entropie ab,
so wie ein Wasserrad von strömenden Wasser umso mehr Energie abladen kann, je größer die Höhendifferenz ? h = h2 - h1 zwischen Ein- und Ausgang ist.
Die Entropie, die das Kraftwerk verlässt, wurde im Kraftwerk erzeugt; in erster Linie beim
Verbrennen der Brennstoffe. Die Entropie kann dann nicht mehr vernichtet werden; wie
eine Art „Wärmestoff“ verlässt sie das Kraftwerk durch den Kühlausgang.
h2
T2
thermisches
Kraftwerk
P = ∆h ⋅ g ⋅ I m
h1
P = ∆T ⋅ IS
T1
Im
IS
Ein Wasserstrom Im strömt hindurch. Je größer
die Höhendifferenz ?h = h 2 - h1 ist desto, mehr
Energie kann das Wasserrad vom Wasser abladen.
Ein Entropiestrom IS strömt hindurch. Je größer
die Temperaturdifferenz ?T = T E - TK ist, desto, mehr
Energie kann die Turbine von der Entropie abladen.
1
Dass ein Teil der bei der Verbrennung umgesetzten Energie mit den erwärmten Abgasen das Kraftwerk verlässt (5 10 %), sei bei den nachfolgenden Betrachtungen vernachlässigt.
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Literatur:
[1]
[2]
[3]
[4]
Plappert, D.: Der Energiebegriff - die Verzahnung der Naturwissenschaften durch
eine gemeinsame Fachsprache, Praxis der Naturwissenschaften Physik 6/55,
September 2006
Plappert, D.: Verständliche Elektrizitätslehre, Praxis der Naturwissenschaften
Physik 7/52, Oktober 2003
Plappert, D.: Kumulatives Lernen - die Bildung des Entropiebegriiffs in der Sek I,
Praxis der Naturwissenschaften Physik 4/53, Juni 2004
Petrich Horst, Plappert, Dieter, Schwarze Heiner: Entropielehre II; Unterricht Physik
Auls Verlag Deubner Köln, erschein Anfang 2008
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