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Physik

Energie umwandeln

Energie geht nie verloren, sie wird von einer Form in eine andere umgewandelt. Ein Teil wird fast immer zu Wärme, die du nicht mehr nutzen kannst.

1. Stufe der Sekundarschule11 bis 14 JahreEntwurf: Noch nicht von einer Lehrkraft für Naturwissenschaften gelesen.

Warum

Warum springt ein Ball, den du fallen lässt, nie höher zurück als bis zu der Höhe, aus der du ihn losgelassen hast?

Lass einen Ball fallen und schau genau hin. Nach dem ersten Aufprall kommt er weniger hoch, nach dem zweiten noch weniger, bis er still liegen bleibt. Nie springt er von selbst höher, als er angefangen hat.

Der Ball hatte oben durch seine Höhe einen Vorrat an Energie. Während des Falls wird diese Energie in Bewegung umgewandelt. Bei jedem Aufprall wird ein Teil zu Wärme und Schall. Diese Energie ist nicht verschwunden, aber der Ball kann sie nicht mehr nutzen, um nach oben zu springen.

Sieh es

Wähle mit dem Schieberegler, wie hoch der Ball auf der Rampe startet, und schalte die Reibung ein oder aus. Verfolge die Balken: Lageenergie, Bewegungsenergie und Wärme ergeben zusammen immer dieselbe Summe.

  • Lageenergie: 0 J
  • Bewegungsenergie: 1470 J
  • Wärme: 0 J
3 m
50%
Lageenergie 0 J, Bewegungsenergie 1470 J, Wärme 0 J. Zusammen immer 1470 J.
Beschreibung des Bildes

Ein Ball rollt eine Rampe hinunter und auf der anderen Seite wieder hinauf. Drei Balken zeigen die Lageenergie, die Bewegungsenergie und die Wärme. Oben ist fast alles Lageenergie, unten fast alles Bewegungsenergie. Ohne Reibung kommt der Ball gleich hoch zurück. Mit Reibung wächst der Balken für Wärme und der Ball kommt jedes Mal weniger hoch. Die drei Balken zusammen bleiben immer gleich groß.

Versteh es

Energie ist das, was nötig ist, damit etwas geschieht: etwas bewegen, erwärmen, brennen oder wachsen lassen. Du kannst Energie nicht sehen, aber du merkst, was sie bewirkt.

Energie gibt es in verschiedenen Formen. Bewegungsenergie hat alles, was sich bewegt. Lageenergie hat etwas, das hoch liegt und herunterfallen kann. Wärme, Licht und Schall sind ebenfalls Energieformen. Elektrische Energie kommt aus der Steckdose oder aus einer Batterie. Chemische Energie ist in Nahrung, Brennstoffen und Batterien gespeichert.

Bei allem, was geschieht, wird Energie umgewandelt. Eine Lampe wandelt elektrische Energie in Licht und Wärme um. Deine Muskeln wandeln chemische Energie aus deinem Essen in Bewegungsenergie um. Ein Windrad wandelt die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie um.

Die wichtigste Regel: Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen und nicht verschwinden. Das nennt man den Energieerhaltungssatz. Allerdings geht bei jeder Umwandlung ein Teil in eine Form, die du nicht wolltest, meistens Wärme. Der Wirkungsgrad sagt, welcher Teil nützlich verwendet wird. Eine LED-Lampe hat einen viel höheren Wirkungsgrad als eine alte Glühbirne.

Wie viel elektrische Energie ein Gerät verbraucht, hängt von seiner Leistung ab und davon, wie lange es läuft: E=P×t. Die Leistung P misst du in Kilowatt, kW, und die Zeit t in Stunden. Dann erhältst du die Energie in Kilowattstunden, kWh. Das ist auch die Einheit auf deiner Stromrechnung.

Die Regel

Energie geht nicht verloren, sie wird umgewandelt. E=P×t mit P in kW und t in h ergibt E in kWh. Wirkungsgrad = nutzbare Energie geteilt durch zugeführte Energie.

Gelöstes Beispiel

Ein Wasserkocher mit 2000 W läuft 3 Minuten lang. Wie viel elektrische Energie verbraucht er in kWh?

  1. Rechne die Leistung in Kilowatt um.

    2000W=2kW

  2. Rechne die Zeit in Stunden um.

    3min=3/60=0,05h

  3. Verwende die Formel.

    E=P×t=2×0,05=0,1

  4. Antwort

    Der Wasserkocher verbraucht 0,1 kWh.

Mach es

Wähl eine Stufe. Du bekommst jedes Mal eine neue Aufgabe, die sofort kontrolliert wird.

Üben

Welche Energieumwandlung findet vor allem statt bei einer Pflanze, die in der Sonne wächst?

Welche Energieumwandlung findet vor allem statt bei einer Pflanze, die in der Sonne wächst?
Wähl die richtige Antwort

Fehlvorstellungen

  • Falsch: Energie wird aufgebraucht oder verschwindet.

    Wenn deine Batterie leer ist, ist die Energie nicht weg. Sie wurde in Licht, Bewegung und vor allem in Wärme in der Umgebung umgewandelt.

    Richtig: Energie wird umgewandelt, nie vernichtet. Was aufgebraucht wird, ist die Energie in einer Form, die wir nutzen können.

  • Falsch: Ein Gerät mit großer Leistung verbraucht immer viel Energie.

    Ein Wasserkocher hat eine große Leistung, läuft aber nur ein paar Minuten. Ein Kühlschrank hat eine kleine Leistung, läuft aber Tag und Nacht.

    Richtig: Der Verbrauch hängt von der Leistung und von der Zeit ab: E=P×t.

  • Falsch: Mit einer schlauen Maschine kannst du mehr Energie herausbekommen, als du hineinsteckst.

    Dann würde Energie aus dem Nichts entstehen. Das wurde noch nie gemessen, und jede Maschine verliert immer ein wenig als Wärme.

    Richtig: Der Wirkungsgrad ist immer kleiner als 100 Prozent.

Versuch für zu Hause

Der Ball, der nie höher kommt

Was du brauchst

  • ein Flummi oder ein Tennisball
  • ein Maßband oder ein Lineal
  • ein glatter, harter Boden
  • ein Helfer
  • Papier und ein Bleistift

So geht's

  1. Lass deinen Helfer das Maßband senkrecht an eine Wand halten.
  2. Halte den Ball genau auf 1 m Höhe und lass ihn los, ohne zu werfen.
  3. Schau, wie hoch der Ball nach dem ersten Aufprall zurückkommt, und schreib es auf.
  4. Wiederhole das dreimal und bilde den Mittelwert.
  5. Probiere es auch auf einem Teppich oder auf Gras und vergleiche.

Sicher: Arbeite in einem Raum, in dem nichts kaputtgehen kann und niemand stolpern kann. Steig nicht auf einen Stuhl, um den Ball von weiter oben fallen zu lassen.

Was siehst du, und warum?

Der Ball kommt nie höher als 1 m zurück, und auf einem weichen Teppich noch weniger hoch. Bei jedem Aufprall wird ein Teil der Energie in Wärme und Schall umgewandelt, sodass weniger übrig bleibt, um nach oben zu springen.

Im Alltag

  • Ein Wagen der Achterbahn auf der Kirmes wird zuerst nach oben gezogen. Oben hat er viel Lageenergie, die bei der Abfahrt in Geschwindigkeit umgewandelt wird.
  • Die Windräder vor der Küste von Ostende wandeln die Bewegung des Windes in elektrische Energie für Tausende Familien um.
  • Auf der Energierechnung zu Hause steht, wie viele kWh deine Familie verbraucht hat. Jede kWh kostet Geld, deshalb lohnt es sich, das Licht auszuschalten.
  • Wenn du mit dem Fahrrad bremst, werden die Bremsklötze warm. Deine Bewegungsenergie wird zu Wärme.

Geschichte

Im neunzehnten Jahrhundert zeigte der englische Bierbrauer und Physiker James Prescott Joule mit Versuchen, dass Bewegung in Wärme umgewandelt werden kann. So wurde klar, dass Wärme eine Form von Energie ist. Die Einheit der Energie, das Joule, ist nach ihm benannt.

Am Tisch

Welche Geräte in unserem Haus wandeln elektrische Energie in Wärme um, und welche in Bewegung?

Eine Frage zum gemeinsamen Gespräch, für Eltern und Kinder. Es gibt keine falsche Antwort.

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