Premium, Reifeprüfung, Semester 5 |
Die Hauptsätze der Wärmelehre beschäftigen sich einerseits mit einem Temperaturphänomen: der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden. Andererseits beschäftigen sie sich mit einem bekannten Übertragungsphänomen: Wärme fließt von selbst nur von einem heißen zu einem kalten Körper.
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Reifeprüfung, Semester 5 |
Der Kühlschrank transportiert Wärme aus sich heraus in die Küche. Er ist eine Maschine, die Wärme von einem kalten Reservoir (Kühlraum) in ein warmes Reservoir (Küche) fließen lässt. Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre würde den umgekehrten Weg vorschreiben: von heiß nach kalt – von Küche nach Kühlschrank.
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Reifeprüfung, Semester 6 |
Psst! Leise schleichen Sie durch das Museum, in der linken Hand die Mona Lisa. Als Sie plötzlich ungewollt den geraden, dünnen, unsichtbaren Strahl eines Lasers unterbrechen, ertönen Alarmsirenen. Warum muss denn auch dieser Laserstrahl so schmal, gerade und unsichtbar sein?
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Reifeprüfung, Semester 6 |
Licht ist ein schönes Phänomen. Licht ist unsichtbar, außer es trifft auf einen Gegenstand. Licht benimmt sich wie eine Welle, benimmt sich wie ein Teilchen. Experimente zeigen das eine, oder das andere. Was stimmt aber nun?
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Reifeprüfung, Semester 5 |
![Jean-Honoré Fragonard [Public domain], via Wikimedia Commons](https://www.phyx.at/wp-content/uploads/2011/05/468px-Fragonard_The_Swing-234x300.jpg)
Jean-Honoré Fragonard [Public domain], via Wikimedia Commons
Schaukeln können Sie, wie Sie wollen. Es ist immer richtig. Die Frage ist also anders zu verstehen. Fragen wir: Wie schaukelt man am bequemsten? Die Schaukel kommt wie jede Schwingung von selbst irgendwann durch Reibung zum Stillstand. Man muss sie also antreiben.
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Reifeprüfung, Semester 5 |
Wellen können um Hindernisse herumlaufen, wenn die Wellenlänge im Größenbereich des Hindernisses ist. Wir sprechen von Beugung. Beugung findet etwa statt, wenn Schall mit einer typischen Wellenlänge von einem Meter durch eine Tür geht, die ebenfalls etwa diese Größe hat. Wir können um die Ecke hören. Beugung findet nicht statt, wenn Licht mit einer sehr kleinen Wellenlänge im Nanometer-Bereich durch die Tür geht. Wir können um die Ecke nicht sehen.
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Reifeprüfung, Semester 5 |
Gefahr droht für Mensch und Umwelt immer, wenn Energie übertragen wird: in einem unpassenden Moment, an einer unpassenden Stelle, in einer unpassenden Menge. Ein Erdbeben kann das alles gleichzeitig.
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Reifeprüfung, Semester 5 |
Unter einem Stromausfall versteht man eine unbeabsichtigte Unterbrechung der Versorgung mit Elektrizität. Stromausfälle entstehen durch eine Unterbrechung des Stromkreises oder ein Ungleichgewicht von Bereitstellung und Bedarf.
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Reifeprüfung, Semester 5 |
Elektrizität muss genau in dem Moment erzeugt werden, in dem sie gebaucht wird.
Gibt es denn keine Möglichkeit, elektrische Energie für besondere Momente aufzubewahren?
Gute Frage!
https://www.youtube.com/watch?v=Rt7eJFvMqbg
Die Antwort reicht von „ja“ bis „nein“. In geringen Mengen kann man Elektrizität in Batterien, Akkus und in Kondensatoren speichern. In größeren Mengen kann Wasser in hochgelegene Stauseen gepumpt werden, um später in Speicherkraftwerken wieder zur Erzeugung elektrischer Spannung verwendet zu werden. Das Problem dabei sind die Verluste bei den Umwandlungen der Energieformen. Schön wäre es, wenn man die viele elektrische Energie eines Blitzes aufbewahren könnte. Das geht leider derzeit nicht.
Elektrische Energie muss immer in dem Moment erzeugt werden, in dem sie gebraucht wird.
Wenn Kraftwerke mehr Energie erzeugen, dann kann diese Energie nicht direkt als elektrische Energie gespeichert werden, sondern nur durch einen Umweg: Wasserpumpen werden betrieben, die Wasser auf einen Berg-Stausee hinaufpumpen. Wird später in einer „Lastspitze“ im Stromnetz wieder mehr Energie benötigt, verwendet man dieses “hohe Wasser” dazu, Generatoren anzutreiben, die diese benötigte Energie in dem Moment erzeugen, in dem sie gebraucht wird.
Jede Energieumwandlung ist allerdings mit einem Verlust verbunden, Energie geht in Form von Wärme verloren. Wir sprechen hier vom Wirkungsgrad. Je höher, desto besser, er ist aber nie 100%.
Energie ist gespeicherte Arbeit, ihre Einheit ist Joule. Wenn diese Arbeit darin bestand, elektrische Ladungen zu trennen, die sich sonst vermischen würden, dann nennen wir diese Arbeit
elektrische Spannung, ihre Einheit ist Volt. Diese Ladungen können wieder fließen, wenn eine leitfähige Verbindung dazwischen besteht. Wir sprechen dann von
elektrischem Strom, seine Einheit ist Ampere. Wie gut der Fluss der Ladungen durch diesen Leiter funktioniert, bestimmt der
elektrische Widerstand, seine Einheit ist Ohm.
Elektrische Ladungen haben die Eigenschaft, sich auszugleichen. Plus und Minus ergeben „Neutral“. Wenn irgendwo die Ladungen getrennt vorliegen, dann muss das jemand durch Arbeit geschafft haben. Diese Arbeit liegt dann gespeichert als elektrische Energie in der „Getrenntheit“ der Ladungen vor. Wir sprechen vom „elektrischen Potenzial“.
Elektrische Kondensatoren speichern Ladungen.
Kondensatoren bestehen aus zwei Gebieten: einem positiv geladenen Gebiet, und einem negativ geladenen Gebiet. Dazwischen befindet sich ein elektrisches Feld, in dem die Energie gespeichert ist. Es gibt Kondensatoren als einfache Energiespeicher für elektronische Geräte in vielen verschiedenen Formen.

Was würden denn Sie machen? Wie könnten Sie selbst Energie speichern? Es muss nicht unbedingt elektrische Energie sein, wenn Sie möchten, speichern Sie doch auch potenzielle Energie (Höhe) oder kinetische Energie (Geschwindigkeit) oder Rotationsenergie (Drehung) oder elastische Energie (Feder) oder Druckenergie (komprimiertes Gas) oder chemische Energie (Moleküle). Probieren Sie es aus: wenn Sie auf Knopfdruck diese Energie freisetzen können, dann haben Sie es geschafft. Gilt auch als Gedankenexperiment! Schreiben Sie hier in die Kommentare, was Sie gedacht oder getan haben!

Wir erinnern uns an die Definition elektrischer Spannung: die Ladungen liegen getrennt vor. Üblicherweise würden sich + und – ausgleichen. Wer es schafft, Ladungen zu trennen und diese Trennung dann beizubehalten, hat elektrische Energie gespeichert.
Eine Batterie stellt Ladungen getrennt zur Verfügung.
Schauen wir uns die kleinste Batterie an – eine Galvanische Zelle. In ihr wird chemische Energie in elektrische Energie (Ladungstrennung) umgewandelt. Durch eine Redoxreaktion, dem gleichzeitigen Ablauf einer Oxidation (Elektronenabgabe) und Reduktion (Elektronenaufnahme). Dies passiert in zwei unterschiedlichen Metallen in einem Elektrolyt – einer leitfähigen Flüssigkeit.
Das eine Metall wird durch die Elektronenabgabe zum Pluspol der Batterie, das andere zum Minuspol. Werden die Pole verbunden, fließt Strom, wenn in der Batterie selbst die beiden Halbzellen durch eine Ionenbrücke verbunden werden, damit ein geschlossener Stromkreis hergestellt ist.
Mehrere galvanische Zellen kann man zu einer Batterie zusammenschalten. Batterien sind immer Gleichspannungsquellen. Die erste Batterie wurde 1800 von Alesandro Volta vorgestellt – ihm zu Ehren erhielt die elektrische Spannung die Einheit „Volt“.
Pflanzen speichern die Energie der Sonne, in dem sie mit Hilfe von
Chlorophyll (grün) energiereiche Moleküle aufbauen. In
Blitzen ist elektrische Energie gespeichert, weil zuvor Wetterphänomene – Wind und Wolken – Ladungen zwischen Erdoberfläche und Himmel getrennt haben.
Springkräuter sind Pflanzen, deren Früchte plötzlich aufreißen, wenn sie reif sind, wie mit einem Katapult schießen sie ihre Samen weit umher. Auch ein
Erdrutsch oder ein
Erdbeben setzt Energie frei, die zuvor gespeichert wurde.
Speicherkraftwerke sind Energiespeicher mit einer Umwandlung der Energieform.
Elektrisch betriebene Pumpen befördern Wasser in ein hochgelegenes Reservoir, wenn zu viel elektrische Energie zur Verfügung steht. Die Energie liegt dann als potenzielle Energie vor. Wird wieder elektrische Energie benötigt, kann das Wasser wieder heruntergelassen und in Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.
Es gibt in Österreich einige sehr bekannte Speicherkraftwerke, zum Beispiel: das Kraftwerk Kaprun.
Die Speicherung elektrischer Energie ist die eine Sache – sehr praktisch, weil elektrische Energie so einfach über Kabel verteilt werden kann. Es gibt aber auch Erfindungen, die andere Energiearten speichern können:
Schwungräder – sie speichern durch sich drehende Massen;
Federn und
Katapulte – sie speichern durch die „Gespanntheit“ aufgewickelter und gespannter Materialien. Insgesamt ist
Batterie und
Akku – die wiederaufladbare Batterie – sicherlich die bekannteste Erfindung im Bereich der Speicherung elektrischer Energie. Ziel ist, in möglichst geringer Masse möglichst viel Energie zu speichern. Dieses Verhältnis wird als
Energiedichte bezeichnet.
Wir sehen also, dass Energiespeicher immer etwas mit der Umwandlung von Energieformen zu tun hat. Wie gut das funktioniert, sagt der Wirkungsgrad. Ein bestimmter Anteil der Energie geht als Wärme verloren.
Die Reise ist noch nicht zu Ende. Ständig werden die technischen Möglichkeiten verbessert, elektrische Energie zu speichern. Man denke nur an die Verbesserung der Akkus in mobilen Geräten. Sie sind leichter geworden und können mehr Energie speichern. Wir sprechen hier von der Verbesserung der „Energiedichte“.
Wie geht die Reise weiter?
Text und Foto der Batterie: Lothar Bodingbauer; Foto der Windräder: https://unsplash.com/@annjica; Foto der Kondensatoren und Grafik der Batterie: Wikipedia.
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Gespräch über Energiespeicher: Die Physikalische Soiree 186 (Podcast): Was kann man mit überschüssiger elektrischer Energie in Österreich tun. Karl Zach von der TU Wien hat ausgerechnet, wie lange die Pumpspeicher noch reichen.
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Strom wird in Kilowattstunden abgerechnet (kWh). Watt? Wir denken bei Watt sofort an Leistung – Energie pro Zeit – und glauben als, dass wir für Leistung auch zahlen. Aber: dem E-Werk ist es ziemlich egal, wie langsam oder schnell wir die Energie aus dem Netz ziehen. Wir bezahlen die reine Menge. Das sagt auch die Einheit Wh – Energie pro Zeit (Watt) mal Zeit – hier kürzt sich die Zeit einfach heraus, wir zahlen für Energie. Und die wird in Joule gemessen. Die Einheit Wh bzw. kWh hat sich historisch entwickelt.
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Reifeprüfung, Semester 5 |
Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist mit rund 20% relativ gering, es müssten große Mengen an Solarpaneele in sonnenreichen Umgebungen installiert werden, um die großen Energiemengen zur Verfügung zu stellen, die von den Verbrauchern benötigt werden.
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Reifeprüfung, Semester 5 |
Der Strom kann auf mehrere Arten zu uns ins Haus gelangen, einer Methode wird im folgendem Beispiel erklärt.
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Reifeprüfung, Semester 5 |
Link zum Wikipedia Artikel über Wechselstrom
Premium, Reifeprüfung, Semester 5 |
Ein Elektromotor beruht auf folgendem Prinzip: Ein elektrisches Kabel führt durch einen Magneten. Sobald Strom fließt, reagiert die Natur mit einer Kraft: der Lorentzkraft. Sie ist die Kraft auf eine Ladung, die sich in einem Magnetfeld befindet. Der Elektromotor ist eine geschickt gebaute Anordnung, die dieses Prinzip ausnützt, um einen Rotor in Drehung zu versetzen.
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Reifeprüfung, Semester 5 |
Der Vogel steht mit beiden Beinen auf derselben Spannung. Strom fließt aber nur bei Spannungsdifferenzen, es besteht daher für den Strom keine Veranlassung durch den Vogel zu fließen.
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