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Energieumwandlungen in Wärmeenergie

• Jede Energieumwandlung ist mit der Abgabe von Wärmeenergie verbunden.

Beispiele: Eine Bohrmaschine wandelt elektrische Energie in Bewegungsener-gie und durch Reibung in Wärmeenergie um. In der Flamme des Gasbrenners wird chemische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Ein Heizstab (Tauchsieder) wandelt elektrische Energie in Wärmeenergie um.

• Jede Energieform wird in Joule gemessen.

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Wärmespeicherung • In jedem Körper ist Wärmeenergie gespeichert. • Die Menge der gespeicherten Wärmeenergie hängt ab

von der Temperatur des Körpers: Je höher die Temperatur, desto mehr Wärmeenergie ist gespeichert.

von der Masse des Körpers: Je größer seine Masse ist, desto mehr Wärmeenergie ist gespeichert.

vom Stoff, aus dem der Körper ist: Wasser kann z. B. mehr Wärmeenergie speichern als dieselbe Masse Spiritus.

• Gute Wärmespeicher können eine große Wärmemenge aufnehmen und abgeben.

Beispiel: Wasser ist ein sehr guter Wärmespeicher. Es wirkt deswegen ausgleichend auf die Temperatur der Umgebung.

Hohe Temperatur, jedoch geringe Wärmespeicherung

Die Temperatur des Wassers ist nicht sehr hoch, es hat jedoch sehr viel Wärme gespeichert.

Der gute Wärmespeicher fehlt, deswegen sind die Temperatur-unterschiede zwischen Tag und Nacht sehr hoch.

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Wärmeübertragung: Wärmeleitung – Wärmeströmung – Wärmestrahlung

• Wärmeenergie wird „von selbst“ nur von einem Körper mit höherer Temperatur

auf einen Körper mit tieferer Temperatur übertragen. • Wärmeenergie kann auf drei Arten übertragen werden: durch Wärmeleitung,

Wärmeströmung und Wärmestrahlung. • Wärmeleitung gibt es in festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen. Schwingende

Teilchen übertragen ihre Energie auf Nachbarteilchen. Beispiele für gute Wärmeleiter: alle Metalle Beispiele für schlechte Wärmeleiter: Glas, Luft, Wasser, Kunststoffe

• Wärmeströmung gibt es nur in Flüssigkeiten und Gasen. Zur Wärmeströmung

kommt es, weil warme Luft (warmes Wasser) wegen der geringeren Dichte aufsteigt.

Beispiel: In einem Zentralheizungssystem breitet sich die Wärme durch Wärmeströmung aus.

• Wärmestrahlung überträgt die Wärmeenergie ohne die Mitwirkung von Teilchen

(auch durch das Vakuum). Beispiel: Die Wärmestrahlung der Sonne gelangt durch das Weltall auf unsere Erde.

• Dunkle Körper absorbieren („verschlucken“) die Wärmestrahlen. Helle Körper

reflektieren die Wärmestrahlen. Beispiele: Sonnenkollektoren sind schwarz, weil sie die Wärmestrahlung absorbieren sollen. Feuerwehrleute schützen sich vor der Hitze durch hell glänzende Schutzanzüge.

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Wärmeenergie und Zustandsformen • Beim Schmelzen wird ein fester Stoff flüssig. Damit ein fester Stoff schmilzt und

flüssig wird, muss ihm Wärmeenergie zugeführt werden. Beispiel: Schmelzende Eiswürfel kühlen ein Getränk, weil Wärmeenergie vom warmen Getränk auf die kalten Eiswürfel übergeht.

• Beim Erstarren wird ein flüssiger Stoff fest. Wenn ein flüssiger Körper zu einem

festen Körper erstarrt, wird Wärmeenergie abgegeben. Beispiel: Um Bäume im Frühjahr vor Morgenfrösten zu schützen, kann man sie mit Wasser anspritzen. Wenn das Wasser zu Eis erstarrt, wird Wärme-energie an den Baum abgegeben.

• Beim Verdampfen wird eine Flüssigkeit gasförmig. Damit eine Flüssigkeit

verdampft, muss Wärmeenergie zugeführt werden. • Beim Kondensieren wird ein Gas flüssig. Beim Kondensieren wird Wärmeenergie

abgegeben. Beispiel: Wenn Wasserdampf an den Wänden eines Gefäßes kondensiert, wird das Gefäß heiß.

Die Erstarrungswärme schützt die Blüten vor Frostschäden.

Eis und Schnee haben eine hohe Schmelzwärme. Das vermindert die Gefahr von Überflutungen.

Beim Kondensieren steigt die Temperatur im Becherglas.

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Vom Sieden • Verschiedene Flüssigkeiten sieden bei verschiedenen Temperaturen.

Beispiel: Wasser siedet bei 100 °C, Spiritus (Alkohol) bei ca. 78 °C. • Die Siedetemperatur einer Flüssigkeit hängt vom Druck über der Flüssigkeit ab:

Je größer der Druck über einer Flüssigkeit ist, desto höher ist die Siedetemperatur und umgekehrt.

Beispiele: Im Druckkochtopf ist ein Überdruck. Deswegen siedet das Wasser in diesem Topf erst bei ca. 120 °C und das Fleisch (die Kartoffel usw.) wird schneller weich. In einer Berghütte ist der Luftdruck geringer als im Tal. Deswegen siedet das Wasser in 2000 m Höhe bereits bei ca. 90 °C.

Wasser siedet bei etwa 100 °C, Spiritus bei ungefähr 80 °C.

Im Druckkochtopf siedet das Wasser oberhalb der „normalen“ Siedetemperatur.

In 2000 m Höhe siedet Wasser bei ca. 90 °C.

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Vom Verdunsten • Flüssigkeiten verdampfen auch unterhalb der Siedetemperatur. Das Verdampfen

unterhalb der Siedetemperatur nennt man Verdunsten. Auch beim Verdunsten wird der Flüssigkeit Wärme zugeführt.

Beispiel: Wenn man an einem heißen Sommertag aus dem Schwimmbecken kommt, ist es einem angenehm kühl, weil die Wassertropfen beim Verdunsten auch dem Körper Wärmeenergie entziehen. Man spürt die „Verdunstungskäl-te“.

• Je niedriger die Siedetemperatur der Flüssigkeit ist, desto schneller verdunstet

sie. Beispiel: Spiritus (Alkohol) verdunstet schneller als Wasser, weil Spiritus die geringere Siedetemperatur hat.

„Verdunstungskälte“: Beim Verdunsten wird der Umgebung Wärmeenergie entzogen.

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Vom Destillieren

• Beim Destillieren wird eine Flüssigkeit verdampft und anschließend der Dampf kondensiert.

• Durch Destillieren kann man Flüssigkeiten von festen Stoffen trennen und Flüs-

sigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten. Beispiele: Wenn man destilliertes Wasser (z. B. für das Dampfbügeleisen) her-stellt, wird durch das Destillieren der im Wasser enthaltene „Kalk“ vom Wasser getrennt. Beim Schnapsbrennen wird der Alkohol der Maische (teilweise) vom Wasser getrennt.

Destilliertes Wasser Schnapsbrennen: Destillation von Alkohol

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Kühlschrank und Wärmepumpe Wenn Wärmeenergie vom „kalten“ auf den „warmen“ Körper übergehen soll, muss Energie (z. B. elektrische Energie) zugeführt werden. • Beim Kühlschrank wird mithilfe elektrischer Energie Wärmeenergie von den „war-

men“ Lebensmitteln auf das „kalte“ flüssige Kühlmittel übertragen: Das Kühlmittel verdampft und wird gasförmig. Das gasförmige Kühlmittel kondensiert an der Rückseite des Kühlschranks, gibt dabei Wärmeenergie an die Umgebungsluft ab und wird wieder flüssig. Der Kreislauf beginnt von neuem.

• Die Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank. Während der Kühlschrank

den Lebensmitteln Wärme entzieht, entzieht die Wärmepumpe z. B. der Luft oder dem Erdreich Wärme und gibt diese an ein Heizungssystem oder das Brauchwas-ser ab.

Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Luft Wärme und übertragen sie auf Wasser.

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Die besonderen Eigenschaften des Wassers

• Wasser hat mit 4°C hat die größte Dichte.

Beispiel: In einem See mit ausreichender Tiefe können die Lebewesen über-wintern, weil das Wasser am Grunde des Sees auch in einem strengen Winter 4 °C hat.

Im Temperaturbereich von 0 °C bis 4 °C nimmt das Volumen des Wassers ab und die Dichte zu.

Die Temperaturverteilung in einem tiefen See im Winter.

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Vom Wetter

• Wolken entstehen, wenn ausreichend feuchte Luft aufsteigt und der Wasserdampf

kondensiert. • Niederschläge (Regen, Schnee, Graupel, Hagel) entstehen, wenn sich kleinste

Wassertröpfchen und Eiskristalle der Wolke zu größeren Teilchen vereinigen. • Tiefdruckgebiete (mit Schlechtwetter) entstehen in Gegenden, in denen warme

Luftmassen aufsteigen. • Hochdruckgebiete (mit sonnigem Wetter) entstehen in Gebieten, in denen kalte

Luftmassen absinken. Die Wolken lösen sich auf, weil sich die Luft erwärmt und die „Wolkentröpfchen“ verdampfen.

• Winde gleichen die Druckunterschiede zwischen Hochdruck- und Tiefdruckgebie-

ten aus. Winde wehen in Bodennähe von Hochdruckgebieten zu Tiefdruckgebie-ten.

Ausschnitt aus einer Wetterkarte: Tiefdruckgebiete (T), Hochdruckgebiete (H)

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Grunderfahrungen mit dem elektrischen Strom

• Elektrischer Strom fließt, wenn der Stromkreis geschlossen ist. • Elektrogeräte können in Serien- und in Parallelschaltung geschaltet sein.

Wenn man in der Serienschaltung ein Lämpchen lockert, erlischt auch das zweite.

Wenn man in der Parallelschaltung ein Lämpchen lockert, leuchtet das andere weiter.

• Stoffe, die den Strom leiten, heißen elektrische Leiter.

Beispiele: alle Metalle, Graphit (Kohlenstoff) • Stoffe, die den Strom nicht leiten, nennt man Nichtleiter oder Isolatoren.

Beispiele: Kunststoffe, Glas • Flüssigkeiten, die den Strom leiten, werden als Elektrolyten bezeichnet.

Beispiele: Salzwasser, Zitronenwasser, Essig

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Elektrische Ladungen

• Es gibt elektrisch geladene Teilchen. Die Teilchen können positiv oder negativ

geladen sein. • Ungleiche Ladungen ziehen einander an. Gleiche Ladungen stoßen einander ab.

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Vom Aufbau der Atome • Atome sind die kleinsten Teilchen eines chemischen Elements. • Atome bestehen aus Atomkern und Atomhülle. Der Atomkern ist positiv geladen,

die Atomhülle ist negativ geladen. • Die Bausteine des Atomkerns sind positiv geladene Protonen und elektrisch neu-

trale Neutronen. Die Atomkerne der Elemente unterscheiden sich durch die Zahl der Protonen.

• In der Atomhülle halten sich negativ geladene Elektronen auf. • Die Atome von Metallen neigen dazu, bei chemischen Vorgängen aus ihrer Atom-

hülle ein (negativ geladenes) Elektron oder mehrere Elektronen abzugeben. Es entstehen positiv geladene Ionen.

• Die meisten Atome von Nichtmetallen können ein Elektron oder mehrere Elektro-

nen zusätzlich in die Atomhülle aufnehmen. Es entstehen negativ geladene Ionen.

Atommodell nach Niels Bohr

Durch Elektronenabgabe entsteht ein positiv geladenes Natrium-Ion (Na+).

Durch Elektronenaufnahme entsteht ein negativ geladenes Chlorid-Ion (Cl-).

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Modelle elektrischer Leiter und Nichtleiter • Stromleitung in Metallen: Wenn man einen Metalldraht mit den Polen einer

Stromquelle verbindet, bewegen sich die frei beweglichen, negativ geladenen Elektronen auf den positiven Pol (Pluspol) der Stromquelle zu.

• Stromleitung in Salzlösungen: Wenn man eine Salzlösung mit den Polen einer

Stromquelle verbindet, „strömen“ elektrisch geladene Ionen. • Warum leitet reines (destilliertes) Wasser den Strom nicht? Wassermoleküle

sind elektrisch neutral. Sie „strömen“ daher weder zum positiv geladenen Pol (Pluspol) einer Stromquelle, noch zum negativ geladenen Pol (Minuspol).

Die Ionen des Salzes sind in der Salzlösung frei beweglich.

Das Wassermolekül ist elektrisch neutral.

In einem Metalldraht gibt es frei bewegliche Elektronen.

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Metallüberzug durch Elektrolyse • Die Zerlegung eines Elektrolyten (= elektrisch leitende Flüssigkeit) mithilfe des

elektrischen Stroms heißt Elektrolyse. Beispiel: Aus einer Kupferchloridlösung kann man Kupfer und Chlor gewinnen. Die positiven Kupfer-Ionen wandern zum negativen Pol (der Katode) und bil-den einen Kupferüberzug. Die negativen Chlorid-Ionen wandern zum positiven Pol (der Anode) und steigen als Chlorgas auf.

• Durch Elektrolyse werden beim Galvanisieren Metallüberzüge hergestellt. Die

Gegenstände werden z. B. verchromt, versilbert, vergoldet.

Badezimmerarmaturen sind mit einer hauchdünnen Metallschicht überzogen.

Elektrolyse einer Kupferchloridlösung

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Stromquellen – Die elektrische Spannung • Zwischen dem Minuspol (Elektronenüberschuss) und dem Pluspol (Elektronen-

mangel) einer Stromquelle ist elektrische Spannung. Die Spannung ist die „trei-bende Kraft“ für das Fließen des elektrischen Stroms.

• Die Maßeinheit der elektrischen Spannung ist 1 Volt (1 V). • Das Messgerät für die Spannung heißt Voltmeter. Es wird parallel zu den Ver-

brauchern geschaltet. • Um Spannung zu erzeugen, muss Energie aufgewendet werden:

in der Solarzelle wird Spannung durch Lichtenergie erzeugt, im Fahrraddynamo durch Bewegungsenergie, in der Batterie durch chemische Energie.

• Stromquellen, die Spannung durch chemische Energie erzeugen, heißen

galvanische Zellen: Galvanische Zellen bestehen aus zwei verschiedenen, festen, elektrischen Leitern und einem Elektrolyt.

Beispiel: Die Zink-Kohlebatterie besteht aus Kohlenstoff und Zink. Der Elektro-lyt ist eine elektrisch leitende „Paste“ aus Salmiak.

• Akkumulatoren (kurz: Akkus) werden erst beim Aufladen zu galvanischen Zellen.

Beispiel: Der geladene Bleiakku des Autos besteht aus braunen, mit Bleioxid überzogenen Platten und grauen Bleiplatten. Der Elektrolyt ist verdünnte Schwefelsäure.

Die beiden Elektroden eines Bleiakkus nach dem Aufladen

Das Voltmeter wird parallel in den Strom-kreis geschaltet.

Ein galvanisches Element aus Kupfer, Zink und Essig

Aufbau einer Zink-Kohle Batterie

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Die elektrische Stromstärke • An der Stromstärke erkennt man, wie groß die Ladungsmenge ist, die im

Stromkreis durch eine (gedachte) Querschnittsfläche fließt. • Die Maßeinheit für die elektrische Stromstärke ist 1 Ampere (1 A). • Die Stromstärke wird mit dem Amperemeter gemessen. Das Amperemeter wird in

Serienschaltung in den Stromkreis geschaltet. • Man unterscheidet zwischen Gleichstrom und Wechselstrom.

Gleichstrom: Die Ladungen bewegen sich immer in die gleiche Richtung. – Zeichen für Gleichstrom: –

Wechselstrom: Die Ladungen „pendeln“ hin und her. – Zeichen für Wechsel-strom: ~

Beispiele: Gleichstromquellen: Batterien, Akkus und Solarzellen Wechselstromquellen: Fahrraddynamo und die Generatoren in den Kraftwer-ken

Schaltung des Amperemeters im Stromkreis

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Der elektrische Widerstand • Jeder Stoff hat einen elektrischen Widerstand, weil die elektrischen Ladungen bei

ihrer „Wanderung“ durch den Stromkreis auf Widerstände stoßen. • Je größer der Widerstand ist, desto kleiner ist die Stromstärke im Stromkreis. • Die Maßeinheit für den elektrischen Widerstand ist 1 Ohm (1 Ω). • Der Widerstand eines Metalldrahts hängt ab

von seiner Länge: Je länger der Draht ist, desto größer ist der Widerstand. von seiner Querschnittsfläche: Je kleiner die Querschnittsfläche ist, desto

größerer ist der Widerstand. vom Material: Der Widerstand eines Kupferdrahts ist z. B. geringer als der

Widerstand eines Konstantandrahts. von der Temperatur: Je höher die Temperatur des Drahtes, desto größer ist

der Widerstand. Je größer der Widerstand ist, desto kleiner ist die Stromstärke im Stromkreis.

Abhängigkeit des Widerstands von der Länge

Abhängigkeit des Widerstands von der Querschnittsfläche

Abhängigkeit des Widerstands vom Material

Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur

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Widerstand und die Stromstärke ist nur noch halb so groß. Das ohmsche Gesetz Das ohmsche Gesetz drückt den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand aus. Es lautet:

„Merkdreieck“

Aus diesem Gesetz kann man ablesen: Je größer die Spannung in einem Stromkreis, desto größer ist die Stromstärke. Je größer der Widerstand in einem Stromkreis, desto geringer ist die Stromstärke.

IRU*

RUI =

Widerstand Spannung eStromstärk =

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Leistung – Arbeit – Wirkungsgrad • Leistung = Arbeit / Zeit (t) P = W / t • Elektrische Leistung = Spannung * Stromstärke P = U * I • Die Maßeinheit der Leistung ist 1 Watt (1 W) • Elektrische Arbeit = Leistung * Zeit W = P * t

Beispiel: Eine Glühlampe mit 100 Watt Leistung ist 10 Stunden lang einge-schaltet. Wie hoch ist ihr Energieverbrauch (W)? W = 100 W * 10 h = 1000 Wh = 1 kWh (1 Kilowattstunde)

• Der Wirkungsgrad ist der Wert des Verhältnisses von Nutzenergie zu aufgewen-

deter Energie. Je höher der Wirkungsgrad eines Geräts ist, desto besser wird die Energie genutzt.

Der „Stromzähler“ misst die elektri-sche Arbeit in Kilowattstunden (kWh).

25 W Leistung bei einer Spannung von 230 V

Wirkungsgrade von Glühlampe und Sparlampe

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Gefahren des elektrischen Stroms

• Die Schmelzsicherung (oder der Leitungsschutzschalter) unterbricht den Strom-

kreis bei Kurzschluss und Überlastung. • Der Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) unterbricht den Stromkreis, wenn

Strom im Stromkreis fehlt. Dieser Fall tritt ein, wenn Strom wegen eines Geräte-schlusses durch den Schutzleiter (die „Erdung“) zur Erde abfließt oder wenn Strom wegen eines Körperschlusses zur Erde abfließt.

Beispiel für einen Geräteschluss: Ein defektes Kabel liegt am Metallgehäuse eines Elektrogerätes an.

Beispiel für Körperschluss: Man berührt ein defektes Kabel.

Leitungsschutzschalter Schmelzsicherung Fehlerstromschutz-schalter (FI-Schalter)