Technik, Energieumsetzung
Energieumsetzende Systeme
Energieumsetzende Systeme
Ergänze:
Primärenergie -> Sekundärenergie -> ...?
Wie wird die ... definiert?
Nutzenergie.
Nutzenergie ist die Energie, die vom Menschen unmittelbar genutzt wird (zum Kochen, Heizen, für die Beleuchtung und zum Betrieb von Maschinen).
Energie kann in unterschiedlicher Form gespeichert werden.
Aus welchen Anteilen besteht der Energiegehalt bei Nahrungsmitteln und welchen Energiegehalt pro 1 g haben diese Anteile (in kJ)?
- Eiweiss (1 g = 17 kJ)
- Kohlehydrate (1 g = 17 kJ)
- Fett (1 g = 39 kJ)
Energie kann in "gehobenen Körpern" gespeichert sein. Nenne Beispiele.
- angestautes Wasser
- Uhrengewicht (Pendeluhr)
Bewegte Körper können Energiespeicher sein.
Nenne Beispiele.
- strömendes Wasser
- drehendes Schwungrad
Energie kann in "verformten Körpern" gespeichert sein. Nenne Beispiele.
- gespannte Feder (Uhr mit Federaufzug, Metronom)
- Pfeilbogen
Energie kann von einem Körper auf einen anderen übertragen werden. Nenne Beispiele.
- Übertragung thermischer Energie von einer Gasflamme auf eine Pfanne
- Übertragung von Sonnenenergie in Form von Strahlung von einem Sonnenkollektor auf Wasser
- Übertragung von chemischer Energie von der Nahrung auf den Organismus eines Lebewesens
- Übertragung von kinetischer Energie des Wassers auf eine Turbine
Wie wird die kinetische Energie des Wassers auf eine Turbine übertragen?
- In einem Wasserkraftwerk setzt die kinetische Energie des Wassers ein Laufrad in Rotation.
- Die Rotationsenergie des Laufrades wird über eine Welle auf einen Generator übertragen.
- Im Generator wird die mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
Es gibt verschiedene Formen der Energieübertragung. Wie wird diese übertragen bei:
- elektrischer Energie
- Sonnenenergie
- thermische Energie
- kinetische Energie (Vergrösserung, Verkleinerung)
- Hochspannungsleitungen: Transport von Energie in Form von elektrischem Strom
- Transport in Form von Strahlung von der Sonne zur Erde
- Warmwasserheizung: Transport in Form von Wärme
- Auto: Beschleunigungsarbeit vergrössert die kinetische Energie; Bremsen verringert die kinetische Energie.
In welchen Formen kann Energie von einem Körper auf einen anderen übertragen werden?
- Arbeit
- Wärme
- Strahlung (Licht)
- elektrischer Strom
In welchen Energieträgern kann Energie gespeichert werden?
In
- Brennstoffen
- Treibstoffen
- Nahrungsmitteln
- gehobenen Körpern
- bewegten Körpern
- verformten Körpern
- Batterien
- Akkumulatoren
Welches sind die wichtigsten Speicherformen für Energie?
- chemische Energie
- mechanische Energie
- elektrische Energie
Die Veränderung des Energiemixes soll gemäss Prognosen ab demJahr 2030 zugunsten welcher Primärenergieträger stattfinden?
- Solarstrom
- Wind
- Biomasse
- Solarthermie
- andere erneuerbare Energieträger
Nenne einige natürliche Energiearten.
Welches ist die wichtigste Energiequelle?
- Wärme
- Licht
- mechanische Bewegung
- chemische Bindungen
- Elektrizität
Die wichtigste Energiequelle ist die Sonne. Sie hält alles in Bewegung.
Welche "Verteilung" erfährt die Sonneneinstrahlung auf dem Weg zur Erdoberfläche?
- Reflexion an der Lufthülle (31 %)
- Absorbtion und Wärmeabstrahlung der Lufthülle (17,4 %)
- Reflexion an der Erdoberfläche (4,3 %)
- Wärmeabstrahlung (17,6 %)
- Konvektion (8,8 %)
- Verdunstung (20,6 %)
Primärenergieträger Erdöl, Raps/Zuckerrüben, Kohle: Nenne Beispiele zu
- Herstellungsverfahren
- Kraftstoffart
- Heizwert H
- Erdöl: Herstellungsverfahren Destillieren, Cracken, Reformieren, Hydrocracken; Kraftstoffart: Kerosin, Benzin, Diesel; Heizwert H: 39,8 - 42,5 MJ/kg.
- Raps/Zuckerrüben: Herstellungsverfahren Extrahieren, Vergären, Verestern; Kraftstoffart: Biodiesel, Bioalkohol; Heizwert H: 27 - 35 MJ/kg.
- Kohle: Herstellungsverfahren Hydrieren; Kraftstoffart: Kerosin, Benzin, Diesel; Heizwert H: 39,8 - 42,5 MJ/kg.
Welches ist der wichtigste fossile Energieträger für Kraftstoffe?
Erdöl
Visualisiere die Überführung von Primärenergien zu Nutzenergien.
(Bild: Quelle Technik 2-Vorlesung ZHAW)
Auf dem Weg vom Wärmekraftwerk zum Nutzer geht viel Energie verloren. Visualisiere die Energieumwandlungskette.
- Chemische Energie (z.B. Kohle)
- Verbrennung: (Brennkammer des Dampferzeugers) -> Wärmeenergie
- Verdampfung (Kessel des Dampferzeugers) -> Wasserdampf mit hoher Temperatur und hohem Druck -> Wärme -> mechanische Energie
- Impulsübertragung: Turbine -> Rotationsenergie
- Spannungsinduktion: (Generator) -> elektrische Energie
- Transport und Verteilung: (Energienetz) -> elektrische Energie
- Energienutzung -> elektrische Energie, Wärme, Licht
Wie ist eine Windturbine aufgebaut. Visualisiere den Aufbau.
(Bild: Quelle Technik 2-Vorlesung ZHAW)
Photovoltaik: Visualisiere den Aufbau eines Kollektors.
(Bild: Quelle Technik 2-Vorlesung ZHAW)
Die Funktion eines technischen Systems ist ...?
Die Veränderung von Stoffen, Energie und Daten.
Wie wird Technik auf der Systemebene eingeteilt?
Energieumsetzende Systeme (z. B. Motoren)
Stoffumsetzende Systeme (z.B. Kaffeemaschine)
Datenumsetzende Systeme (z.B. Prozessoren)
Technische Prozesse benötigen die Zufuhr von Energie.
Nenne Beispiele, was diese Energie bewirken kann.
Energie wird benötigt, um:
- einen Körper zu beschleunigen
- einer Kraft entgegenzuwirken
- einen Stoff abzukühlen oder zu erwärmen
- ein Gas zu komprimieren
- eine Glühbirne zum Leuchten bringen
- Radiowellen abstrahlen
Energie ist gespeicherte Arbeit. Was ist die Fähigkeit von Energie?
Energie kann:
- Systeme mechanisch arbeiten zu lassen
- Wärme abzugeben
- Strahlung auszusenden (z.B. Licht)
Energie ist eine ...grösse.
Was beschreibt sie?
- Energie ist eine Zustandsgrösse.
- Sie beschreibt den energetischen Zustand eines Systems.
Zudem ist die Energie eine Rechengrösse, d.h. sie ist nicht messbar, sondern muss stets aus anderen Grundgrössen errechnet werden.
Arbeit ist eine ...grösse.
Arbeit ist eine Prozessgrösse.
Arbeit ist das Produkt aus ...
Arbeit ist das Produkt aus Kraft und Weg.
Die Kraft wirkt in die Richtung des zurückgelegten Weges.
Leistung ist ...
Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit.
- Der "Satz von der Erhaltung der Energie" sagt...
- Nenne ein Beispiel dazu
- ...das Energie in einem geschlossenen System weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Energie kann nur von einer Art in die andere umgewandelt werden.
- Beispiel: Bohrmaschine: Das Getriebe der Bohrmaschine überträgt die Leistung des Antriebsmotors auf das Werkzeug. Dabei wird die zugeführte mechanische Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Das Werkstück erwärmt sich, ebenso der Bohreraufsatz.
Energiezufuhr bewirkt immer, dass ein System ...
Energiezufuhr bewirkt immer, dass ein System arbeitet.
Es
- bewegt sich mechanisch,
- erwärmt sich oder
- sendet Licht aus.
Dabei setzt es immer Wärme frei und erwärmt dadurch seine Umgebung.
Was sagt der "Wirkungsgrad" aus?
Der Wirkungsgrad wird verwendet, um die Effizienz von Energiewandlungen oder Energieübertragungen zu beschreiben. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von:
- (nutzbarer), abgegebener Energiemenge ZU
- (aufgewendeter,) zugefügter Energiemenge
Wirkungsgrad = Pab : Pzu
- Wegen unvermeidbarer Verluste ist der Wirkungsgrad immer < 1 bzw. < 100 %.
Beim Verbrennungsmotor beträgt der Wirkungsgrad nur ca. 0,2 bzw. 20 %.
Beispiel "Pendeluhr":
Wird die Uhr aufgezogen, so wird das Uhrgewicht nach oben gezogen. Die "aufgezogene" Energie wird wieder abgegeben, indem das Pendel, das über ein Zahnrad bewegt wird, schwingt und das Gewicht sich aufgrund der Schwerkraft nach und nach senkt. Ist das Uhrgewicht nach etwa einer Woche unten angekommen, bleibt die Uhr stehen und muss neu aufgezogen werden.
Werden die beteiligten Schritte formelhaft bezeichnet, so gilt für die Schwerkraft (G), die Seillänge/Weg (h), das Uhrgewicht (die Energie) (E) und die zugeführte Arbeit (W). Wie lautet die Formel für W?
W = G x h
Verrichtete Arbeit (W) = Schwerkraft (G) x Seillänge/Weg (h)
Zudem gilt:
E = W
Energie (E) = gespeicherte Arbeit (W) = Umsetzung von E in W im Verlauf einer Woche
Inwiefern unterscheidet sich die Energieumwandlung bei:
- einem Menschen
- einem Verbrennungsmotor
- einem Elektromotor?
Zwischen welchen Faktoren besteht ein enger Zusammenhang?
- Beim Menschen wird chemische Energie in den Muskeln in mechanische Energie und Wärme umgesetzt.
- Beim Verbrennungsmotor ermöglicht die chemische Energie des Kraftstoffs die mechanische Arbeit, zudem wird Wärme freigegeben.
- Beim Elektromotor kommt die Energie aus einer Batterie bzw. einem Akku und ermöglicht mechanische Arbeit. Auch hier wird Wärme freigegeben.
Zwischen Energie und Arbeit besteht ein enger Zusammenhang.
Arbeit benötigt Energie(zufuhr).
- Was ist "Arbeit"?
- Wie lautet die Formel?
- Was ändert sich, wenn im gegebenen Beispiel (siehe Lösung) ein Verbrennungsmotor die Arbeit übernimmt?
- Arbeit ist das Produkt aus Kraft und Weg:
- Arbeit (W) = Kraft (F) x Weg (s)
W = F x s
- Beispiel: Eine Ladung wird 100 m weit bewegt. Die benötigte Kraft beträgt 60 N (Newton). Welche Grösse hat die verrichtete Arbeit?
W = 60 N x 100 m
W = 6000 Nm
- Es ändert sich nichts. Die Bedingungen in Bezug auf die Kraftaufwendung sind die gleichen.
Die mechanische Arbeit (W) kennt welche Einheit(en)?
- Newtonmeter
- Joule
Wie wird "Arbeit" definiert im Zusammenhang mit den zugehörigen Einheiten?
Eine Arbeit von 1 Nm wird verrichtet, wenn:
- an einem Körper die Kraft von 1 N angreift UND
- der Körper dadurch 1 m in Richtung der wirkenden Kraft bewegt wird.
Es gilt:
1 Nm = 1 J
Wie lauten die Einheiten folgender Energiearten:
- mechanische Energie
- elektrische Energie
- Wärmeenergie
- mechanische Energie: 1 Nm (Newtonmeter)
- elektrische Energie: 1 Ws (Wattsekunde)
- Wärmeenergie: 1 J (Joule)
- Welche Bezeichnung tragen die Vielfachen von 1 J?
- Wie lautet ihr Verhältnis?
- Joule (J), Kilojoule (kJ), Megajoule (MJ)
- 1 MJ = 1'000 kJ = 1'000'000 J
- Wann begann der Mensch Energie zu nutzen?
- Wann / wem gelang es, die Energie zum Antrieb von Maschinen zu nutzen?
- In der Urzeit, als die Menschen lernten, die Wärmeenergie des Feuers für die Erhitzung ihrer Nahrung zu nutzen bzw. sich damit warm zu halten.
- Vor ca. 330 Jahren (Papin), vor ca. 300 Jahren (Newcomen) und vor ca. 250 Jahren Watt) mit den ersten Dampfmaschinen.
Heute setzt die chemische Energie der Kraftstoffe Autos, Flugzeuge und Raketen in Bewegung. Welche wichtigen Energiearten kennt man heute?
- mechanische Energie
- thermische Energie
- chemische Energie
- elektrische Energie
- magnetische Energie
- Lichtenergie
- Kernenergie
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Lernkarten
Auf dem Weg vom Wärmekraftwerk zum Nutzer geht viel Energie verloren. Visualisiere die Energieumwandlungskette.
- Chemische Energie (z.B. Kohle)
- Verbrennung: (Brennkammer des Dampferzeugers) -> Wärmeenergie
- Verdampfung (Kessel des Dampferzeugers) -> Wasserdampf mit hoher Temperatur und hohem Druck -> Wärme -> mechanische Energie
- Impulsübertragung: Turbine -> Rotationsenergie
- Spannungsinduktion: (Generator) -> elektrische Energie
- Transport und Verteilung: (Energienetz) -> elektrische Energie
- Energienutzung -> elektrische Energie, Wärme, Licht
Wie ist eine Windturbine aufgebaut. Visualisiere den Aufbau.
(Bild: Quelle Technik 2-Vorlesung ZHAW)
Photovoltaik: Visualisiere den Aufbau eines Kollektors.
(Bild: Quelle Technik 2-Vorlesung ZHAW)
