E7 Energie/Plasma

Energieformen

Es gibt verschiedene Energieformen:

elektrische Energie
mechanische Energie (Lage-, Bewegungs-, Verformungs-/Spannenergie)
chemische Energie
innere Energie (Wärme)
Strahlungsenergie
Kernenergie

Energie wechselt bei der Energieumwandlung die Energieform. Dabei bleibt zwar die ganze Energie erhalten, aber durch dabei vorkommende nicht erwünschte Energieformen kommt es zur Energieentwertung.

Beispiel Elektrisches Licht:

Selbst moderne LED-Lampen verwandeln nicht die ganze elektrische Energie in Licht (Strahlungsenergie, ca. 95%). Als nicht erwünschte Energieform fällt ca. 5 % Wärmeenergie an.

Beispiel Verbrennungsmotor:

Ein Verbrennungsmotor benötigt chemische Energie in Form des Treibstoffs (Diesel oder Benzin) und wandelt diese in Bewegungsenergie (erwünscht ca. 35%) und Wärme (unerwünscht ca. 65%) um.

Wirkungsgrad

Die oben genannten Prozentzahlen sind der sogenannte Wirkungsgrad. Er beschreibt wieviel Prozent der zugeführten Energie in die gewünschte Energieform umgewandelt wurden.

Wirkungsgrad

$Wi r k u n g s g r a d = \frac{g e w u ¨ n sc h t e E n er g i e f or m}{z ug e f u ¨ h r t e E n er g i e f or m}$

Kühlschrank

Kühlschrank

Im Kühlsystem fließt ein Kühlmittel, das im Regelfall einen Siedepunkt von -12° C hat.

Im Kühlschrank verdampft daher das Kühlmittel, da es dort im Normalfall wärmer als -12° C ist. Dafür benötigt das Kühlmittel die Wärme aus der Umgebung. Im Kühlschrank wird es jetzt kalt. Ein Kompressor saugt das gasförmige Kühlmittel aus dem Kühlschrank und pumpt es in den sogenannten Kondensor außerhalb des Kühlschranks, dabei wird es verdichtet, der Druck des Gases wird auf das achtfache erhöht (dadurch erhöht sich der Siedepunkt). Im Kondensor, unter dem hohen Druck, gibt das Kühlmittel die Wärme an die Umgebung (Raumluft) ab und wird wieder flüssig (kondensiert). Das jetzt wieder flüssige Kühlmittel fließt durch eine Drossel zurück in den Kühlschrank. Die Drossel reduziert den Druck des Kühlmittels wieder auf den einfachen Luftdruck.

Leifiphysik
Kühlschrank

Energieformen

Wärme

elektrische Energie

Energietransport

elektrischer Strom

Kühlmittel

Luft

Energieübertragung

von der Luft an das Kühlmittel

vom Kühlmittel an die Luft

(jeweils über die Wandung der Kühlmittelrohre)

Energieumwandlung

elektrische Energie in Bewegungsenergie im Kompressor

Energieerhaltung

die Wärme die aus dem Kühlschrank heraustransportiert wird bleibt erhalten, allerdings wird durch den Elektrischen Strom und die Energieumwandlung im Kompressor zusätzliche Wärme in das System eingebracht.

Energieentwertung

im Kompressor

Experiment zu der Ausdehnung von Gasen und der Herleitung des absoluten Nullpunktes
Es gibt ein Experiment bei dem die Wärmeausdehnung eines Gases untersucht wird. Dazu wird das Gesamtvolumen und die Temperatur gemessen. Das Ganze wird dann in ein Koordinatensystem eingetragen und dort weiter betrachtet.
Trage in dem Koordinatensystem folgende Messpunkte ein:
1.: 100°C/150 cm³
2.: 50°C/130 cm³
Zeichne jetzt eine Gerade durch die beiden Punkte und verlängere sie nach links.
Wo schneidet sie die x-Achse ungefähr?

Beim absoluten Nullpunkt (0° K = -273,15°C) bewegen sich die Teilchen...

Plasma

Bei noch höheren Temperaturen erreichen die Teilchen noch einen 4. Aggregatszustand, das sogenannte Plasma. Bevor wir darüber uns unterhalten was ein Plasma ist, müssen wir erst das Teilchenmodell erweitern. Die kleinsten Teilchen nennt man auch Atome, diese bestehen aus einem Atomkern (der elektrisch positiv geladen ist p⁺) und der Atomhülle, in der Elektronen (die sind elektrisch negativ geladen e^-) um den Atomkern kreisen. Wenn die Atome jetzt noch heißer werden fangen auch die Elektronen an sich noch heftiger zu bewegen und verlassen die Atomhülle. Jetzt haben wir ein Plasma.

Plasma

Normale Atome

Im Plasma sind die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Atomkerne getrennt unterwegs.

Temperatur im Plasma

In der Plasmaphysik werden kalte, ca. 100 000° C, und heiße, ca. 1 000 000° C, Plasmen unterschieden.

Nochmal zurück zum Kühlschrank und dem Wirkungsgrad. Wenn in einem Kühlschrank 2kg Lebensmittel bei 8° C gekühlt gelagert werden, so benötigt man theoretisch eine elektrische Energie von 0,014 kWh. Wenn man jetzt aber die elektrische Energie misst, so kann man pro Tag stattdessen 1 kWh messen. Überlege was die zugeführte Energie ist, was die gewünschte Energie ist und Berechne den Wirkungsgrad (mit dem Taschenrechner) und gib ihn in Prozent an!

E7 Energie/Plasma

von Sandri

Fächer

fächerverbindend, Physik

Klassenstufen

1, 2, 3, 7, 11, 12, 13, 1. Ausbildungsjahr, 2. Ausbildungsjahr, 3. Ausbildungsjahr, 4. Ausbildungsjahr

veröffentlicht

07.07.2025

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