Wenn so viel in unserer Gesellschaft von Energie abhängt, muss sie bereitgestellt werden. Energiewirtschaft. Wirtschaften bedeutet, mit begrenzten Ressourcen umzugehen. Es ist nun keine Kunst, Erdölprodukte zu verbrennen, um sein Land zu betreiben. Es ist eine größere Kunst, nachhaltig Energie bereitzustellen, und nachhaltig bedeutet, dass es die natürlichen Ressourcen nicht ausbeutet, und das Klima nicht verändert. „Green Label“ wird oft gennant – Energie aus nachhaltigen Quellen: Wasserkraft, Windkraft, Solarenergie. Nachhaltigkeit bedeutet aber auch, dass sparsam mit Energie umgegangen wird. Bekannt ist hier der Rebound-Effekt: Flachbildschrime für Fernseher und Monitore brauchen weniger Energie als früher die Röhrenbildschirme. Das führte aber dazu, dass nun viel größere Monitore verwendet werden, der Einsparungseffekt ist dahin. Es ist also gar nicht so leicht, Energiewirtschaft und Nachhaltigkeit unter einen Hut zu bringen. Aber es geht.
Kategorie: Basics
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Energieformen
Mit Energie kann man viele Sachen machen. Manchmal ist es gut, viel Energie zu haben, manchmal schlecht. Es gibt mehrere Energieformen: Aufgrund der Lage (Potenzielle Energie), der Geschwindigkeit (kinetische Energie), es gibt chemische Energie, Wärmeenergie, elektrische Energie, Bindungsenergie, und so weiter. Diese Energieformen können ineinander umgewandelt werden.
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Energieumwandlung
Vielleicht einer der wichtigesten zentralen Aussagen der Physik ist der „Energieerhaltungssatz“: In einem abgeschlossenen System kann Energie weder erzeugt noch vernichtet werden, Energieformen können aber ineinander umgewandelt werden. Dabei wird auch immer etwas Wärme übertragen – der Wirkungsgrad ist nie 100%.
Ein Pendel wandelt kinetische Energie in potenzielle Energie um. Ein Motor wandelt elektrische Energie in kinetische Energie um. Ein Generator macht das umgekehrt. Es gibt unzählige Beispiele.
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Energieerhaltung
Der Energieerhaltungssatz ist wohl einer der zentralsten Aussagen der Physik.
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie kann aber in verschiedene Formen umgewandelt werden.
Es gibt viele Beispiele dafür: Reiben der Hände –> Wärme. Pendel/Schaukel: Potenzielle Energie <–> Kinetische Energie.
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Arten der Wärmeübertragung
Wenn Energie von einem System mit mehr Innerer Energie in ein System mit weniger Innerer Energie fließt, sprechen wir von „Wärme“, die übertragen wird. Wärme ist also eine Prozessgröße, es ist ein Vorgang, ein Fließen damit verbunden. Die Natur bietet drei Möglichkeiten an, wie das passieren kann:
- Wärmeleitung: Die beteiligten Systeme stehen in direktem Kontakt.
- Wärmestrahlung: Das Ganze passier mit elektromagnetischer Strahlung (Licht)
- Wärmetransport: Es werd Materie selbst übertragen – Konvektion.
Für alle drei Arten gibt es Heizungen, bzw. Wärmequellen, die wir aus dem Alltag kennen.
Link: https://www.acin.tuwien.ac.at/fileadmin/cds/lehre/mblg/Modellbildung_Kapitel_3.pdf
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Hauptsätze der Wärmelehre
Die Hauptsätze der Wärmelehre sind neben dem Energieerhaltungssatz wichtige zentrale Aussagen der Physik.
- Wärme fließt von selbst nur von einem System mit viel zu einem System mit wenig Innerer Energie.
- Die Innere Energie eines Körpers kann durch Zufuhr von Wärme oder/und durch Zufuhr von Arbeit erhöht werden.
- Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden.
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Gleichgewichte
Gleichgewichte spielen eine große Rolle in der Natur. Es gibt statische Gleichgewichte: du bilanzierst einen Besen auf deinem Finger. Er bleibt im (instabilen) Gleichgewicht. Auch wenn eine Zitrone in einer Schüssel liegt, bleibt sie ruhig, im Gleichgewicht, her aber im „stabilen“ Gleichgewicht. Und es gibt dynamische Gleichgewichte: es kommen genau so viele Leute bei der Tür herein, wie bei der anderen Tür wieder hinausgehen.
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Statischer und Dynamischer Auftrieb
Normalerweise befinden sich schwere Dinge am Boden. Flugzeuge am Flughafen stehen am Gate. Oder sie sinken nach unten, wenn sie im Wasser sind. Steine zum Beispiel. Aber Schiffe schwimmen. Heißluftballons schweben. Flugzeuge fliegen. Irgend etwas macht sie leichter. Und dieses Etwas wird „Auftrieb“ genannt.
Zwei Arten von Auftrieb können wir leicht unterscheiden:
- Statischer Auftrieb – ohne Bewegung. Das Schiff schwimmt mit statischem Auftrieb. Der Heißluftballon schwebt.
- Dynamischer Auftrieb – mit Bewegung. Das Flugzeug fliegt mit dynamischem Auftrieb. Das U-Boot fährt wieder zur Wasseroberfläche.
Links:
https://www.phyx.at/warum-schwimmt-ein-schiff/
https://de.wikipedia.org/wiki/Statischer_Auftrieb und https://de.wikipedia.org/wiki/Dynamischer_Auftrieb
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Goldene Regel der Mechanik
„Was an Kraft gewonnen wird, geht an Weg verloren“.
Es gibt zwei Möglichkeiten, eine schwere Kiste in den 3. Stock zu schleppen. Sie ziehen die Kiste mit einem Seil von der Straße zum Fenster rauf, das ist der direkte Weg, der kürzeste. Er braucht aber die meiste Kraft. Oder sie gehen über schräge Stiegen damit. Da brauchen Sie weniger Kraft, Sie müssen aber einen größeren Weg zurücklegen.
Das ist die goldene Regel der Mechanik.
Man kann auch einfache Erfindungen bauen. Den Nagel zum Beispiel. Auf direktem Weg wird er mit dem Hammer (viel Kraft) in die Wand geknallt. Oder Sie wickeln eine schiefe Ebene (viel Weg) auf den Nagel auf. Ein Schrauben. Den drehen Sie in aller Ruhe (wenig Kraft), aber doch recht lange in die Wand. Es gibt noch viele weitere schöne Beispiele, die Sie am besten selbst herausfinden. Stichwort: Flaschenzug.
Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Goldene_Regel_der_Mechanik
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Arbeit/Energie/Leistung
Wenn du einen Sack Reis die Treppen hochschleppst, brauchst du Kraft. Du „arbeitest“ gegen die Schwerkraft. Je weiter dieser Weg nach oben ist, desto mehr arbeitest du. Das Produkt aus Kraft mal dem Weg gegen die Schwerkraft (auch gegen eine andere Kraft) wird Arbeit genannt. Sie steckt dann im Sack Reis drin – als „Energie“, als gespeicherte Arbeit. Diese Energie wird „potenzielle Energie“ genannt. Je schneller du diese Arbeit machst, desto mehr Leistung bringst du mit. Leistung ist Energie (Arbeit) pro Zeit. Damit kann man schon ziemlich gut alles alltägliche beschreiben. Ach ja, es gibt etwas Ähnliches mit der Geschwindigkeit. Damit du schneller wirst, brauchst du auch Kraft. Es gibt demzufolge noch eine zweite Energieart, die kinetische Energie, die du dann hast.
Noch ein Hinweis zum Foto: Genau genommen sollte „Die Energie im Tank“ am Tankwagen stehen. Den Ausdruck Kraft würden Physiker:innen hier eher nicht verwenden.
Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Arbeit_(Physik)
https://de.wikipedia.org/wiki/Energie#Energie_in_der_klassischen_Mechanik