Technik, Energieumsetzung

Energieumsetzende Systeme

Energieumsetzende Systeme


K. P.
Diese Lernkarten behandeln die Energieumsetzung und -strategien auf Universitätsniveau. Sie decken Themen wie Energiearten, -umwandlung und -speicherung ab, mit Fokus auf Primär- und Sekundärenergieträgern, Energieverbrauch und -strategien in der Schweiz. Die Karteikarten sind ideal für Studierende der Technik, die sich mit Energieumsetzung und nachhaltigen Energielösungen vertraut machen möchten.
Karten
83
Lernende
1
Sprache
Deutsch
Kategorie
Technik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
19.06.2016 / 19.06.2016

Flashcards

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

Welche Art Energie ist die wichtigste? Warum?

Die elektrische Energie ist die wichtigste Form von Energie.

Weil sie aus allen anderen Energiearten erzeugt bzw. in alle anderen Energiearten umgewandelt werden kann.

Was ist Wärmeenergie?

Wärmeenergie ist die Bewegungsenergie der Atome und Moleküle in einem Stoff.

Je mehr Wärmeenergie ein Körper aufnimmt, desto heftiger bewegen sich seine Teilchen. Seine Temperatur steigt, der Körper dehnt sich aus und strahlt mehr Wärme ab. Die Ausdehnung des Körpers kann genutzt werden, um Systeme mechanisch arbeiten zu lassen.

Beispiel Verbrennungsmotor:
Die Ausdehnung der Luft als Folge der Verbrennung von Kraftstoff wird in Bewegungsenergie umgewandelt (z.B. anheben von Kolben im Motor).

Nenne Beispiele zur Wärmeleitung / Wärmeströmung / Wärmestrahlung.

Strömende Flüssigkeiten und Gase können Wärme speichern und transportieren.

Wärmeströmung wird auch Konvektion genannt.

Bei der Wärmeleitung wird die Wärme von einem wärmeren  Körper an einen weniger warmen Körper (Umgebung) abgegeben (Prinzip der Heizungsradiatoren).

Durch Wärmestrahlung (Prinzip der Heizstrahler) wird ebenfalls Wärme an die Umgebung abgegeben.

Was geschieht unter dem Einfluss von Wärmeenergie?

Stoffe erfahren eine Zustandsänderung.

Nenne Beispiele einer Zustandsänderung.

Was ist besonders an Wasser?

  • Schmelzen (Eis, Metall)
    Gegenteiliger Vorgang: Erstarren (die Wärme wird wieder abgegeben)
  • Verdampfen (Wasser zu Wasserdampf)
    Gegenteiliger Vorgang: Kondensieren (die Wärme wird wieder abgegeben)
     
  • Man sieht dem Wasser nicht an, dass es (Schmelz-)Wärme gespeichert hält (latente Wärme).

Was ist chemische Energie?

Nenne einige energiereiche Verbindungen.

  • Chemische Energie ist die Bindungsenergie von zu Molekülen verbundenen Atomen.
     
  • Kohle, Erdgas, Heizöl, Holz, Torf.

Bei chemischen Reaktionen (z.B. Verbrennen) wird ein Teil der chemischen Energie in Wärme umgewandelt. Die erzeugte Menge Wärmeenergie lässt sich wie folgt berechnen:

Wärmeenergie (Q)   =  Heizwert (H)   x   Brennstoffmasse (m)

(Lösung = Erklärung)

Q  =  H  x  m

Dabei ist:

  • "Q" die Verbrennungswärme in Megajoule [ MJ ]
  • "H" der Heizwert in Megajoule pro Kilogramm [ MJ / kg ]
  • "m" die Masse in Kilogramm [ kg ]

Nenne Formen von Strahlungsenergie.

Wie wird Strahlungsenergie übertragen?

  • Licht
  • Wärmestrahlung
  • Laserstrahlung
  • Röntgenstrahlung
  • Rundfunkstrahlung

Strahlungsenergie wird über elektromagnetische Wellen übertragen und über Strahlungsquellen abgestrahlt.

Was ist die Kernenergie?

Kernenergie ist die Bindungsenergie zwischen Protonen und Neutronen im Atomkern.

Kernenergie wird bei der Spaltung von Atomkernen oder bei deren Verschmelzung als Wärmeenergie und als radioaktive Strahlung freigesetzt. Spaltbar sind z.B. Uran und Plutonium.

Woraus ergibt sich die Energiemenge bei der Kernspaltung?

Wie nennt man den Verlust an Masse bei der Kernspaltung?

  • Aus der Umwandlung von Masse in Energie.
     
  • Massendefekt

Was ist mechanische Energie?

Mechanische Energie ist:

  • die Bewegungsenergie ODER
  • die Lageenergie

von Körpern.

Nenne Beispiele von Bewegungsenergie.

  • Strömungsenergie (Wind, Wasser) und die Übertragung auf Windräder oder Turbinen.
  • Rotationsenergie (Welle einer Bohrmaschine)

Energie-Strategie 2050 / Energie-Trialog Schweiz:

Woraus setzt sich der Trialog zusammen?

Der Energie-Trialog Schweiz setzt sich zusammen aus:

  • Wissenschaft
  • Wirtschaft
  • Gesellschaft

Energie-Strategie 2050 / Energie-Trialog Schweiz:

Welche Auswirkungen wird die Bevölkerungszunahme in Bezug auf Energie haben?

Die Energiepreise werden längerfristig massiv ansteigen. Sie widerspiegeln die Verknappung des Angebots bei rasch steigender Nachfrage.

Energie-Strategie 2050 / Energie-Trialog Schweiz:

Der Klimawandel bringt ökologische, gesellschaftliche und wirtschaftliche Risiken mit sich. Welche Entscheide / auf welchen Ebenen werden Einfluss auf die Energiepolitik haben?

Entscheide auf globaler, europäischer und schweizerischer Ebene.

Energie-Strategie 2050 / Energie-Trialog Schweiz:

Welche globalen Trends sind zu erwarten?

  • die Energienachfrage wird weltweit weiter steigen (bis 2030 um 46 %)
  • die Elektrizitätsnachfrage wird pro Jahr weltweit um 3,6 % ansteigen
  • (ohne Massnahmen) eine drastische Temperaturerhöhung von 3,5 bis 7° C
  • die Verknappung von Energieressourcen wirkt sich auf die weltwirtschaftlichen und geopolitischen Machtverhältnisse aus
  • die Erdöl- und Erdgasförderung ist bereits heute sehr ausgereizt
  • internationale Kooperation ist unerlässlich
  • die Energieintensität muss abnehmen
  • der Energiemix muss klimaneutral sein

Energie-Strategie 2050 / Energie-Trialog Schweiz:

Welches Land hatte (2010) den höchsten CO2-Ausstoss pro Person?

Die USA

Energie-Strategie 2050 / Energie-Trialog Schweiz:

Welches Land hatte (2010) den höchsten Stromverbrauch pro Kopf?

Norwegen (gefolgt von Schweden und den USA)

Energie-Strategie 2050 / Energie-Trialog Schweiz:

Was ist die IPCC?

Intergovernmental Panel on Climate Change (Welt-Klimarat)

Energie-Strategie 2050 / Energie-Trialog Schweiz:

Was sagen die Erwärmungszenarien aus?

Die globalen Treibhausgas-Emissionen dürfen bis 2020 nicht höher als 44 Gigatonnen sein und müssen bis 2050 stetig sinken. So bleibt der Temperaturanstieg mit einer Wahrscheinlichkeit von 66 % unter 2° C.

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