GWPh8

Grundwissen Physik 8. Klasse

GWPh 8.1 Energie als Erhaltungsgröße

Energieformen und Energieerhaltung

• Energieformen:

Potentielle Energie $E_{pot}$ (oder Höhen- oder Lageenergie) besitzt ein Körper, der aufgrund seiner Lage von dort herunterfallen kann.

Kinetische Energie $E_{kin}$ (oder Bewegungsenergie) besitzt ein Körper, der sich mit einer Geschwindigkeit bewegt.

Spannenergie $E_{sp}$ besitzt ein Körper, der elastisch aus seinem entspannten Zustand verformt wurde.

Innere Energie $E_{i}$ besitzt ein Körper aufgrund seiner Temperatur.

Elektrische Energie $E_{el}$ besitzen Körper, die elektrische Vorgänge und elektrischen Strom auslösen können.

Magnetische Energie $E_{mag}$ besitzt ein Körper aufgrund seines Magnetfeldes.

Chemische Energie $E_{chem}$ besitzt ein Körper, der die Fähigkeit hat, eine chemische Reaktion ablaufen zu lassen.

Kernenergie $E_{kern}$ nennt man die Energie, die bei Kernspaltung oder Kernfusion frei wird.

• Energieerhaltungssatz:

In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien konstant. $E_{1}+E_{2}+E_{3}+...=konstant$

Einfacher formuliert: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie kann nur von einer Form in andere Formen umgewandelt werden.

Energieformen in der Mechanik

Merke: Für die Einheit der Energie (1 Joule) gilt: $1~J=1~Nm=1~{\frac {kg\cdot m^{2}}{s^{2}}}$

• Potentielle Energie

$E_{pot}=F_{G}\cdot h=m\cdot g\cdot h\$

• Kinetische Energie

$E_{kin}={\frac {1}{2}}\cdot m\cdot v^{2}$

• Spannenergie

$E_{sp}={\frac {1}{2}}\cdot D\cdot s^{2}$

• Arbeit

Ändert sich der Energiezustand eines Systems, so wird an ihm physikalische Arbeit verrichtet.

Physikalische Arbeit $\ W$ ist der Energieunterschied, der dabei auftritt:

$W=\Delta E=E_{nachher}-E_{vorher}$

Die Arbeit wird deswegen auch in der Einheit $1~J=1~Nm$ angegeben.

• Kraftwandler

Vorrichtungen wie z.B. Flaschenzüge, Hebel, schiefe Ebenen, hydraulische Pumpen usw. , die uns die mechanische Arbeit dadurch erleichtern, dass die aufzuwendende Kraft umgelenkt oder sogar verringert wird, werden Kraftwandler genannt.

• Goldene Regel der Mechanik

Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen.

Oder anders ausgedrückt:

Kraftwandler verringern zwar die aufzuwendende Kraft, jedoch aber nicht die zu verrichtende Arbeit, denn die bleibt gleich!

• Leistung

Die mechanische Leistung $\ P$ gibt an, wie schnell mechanische Arbeit verrichtet wird, also wie viel Arbeit $\ W$ man pro Zeit $\ t$ verrichtet.

$P={\frac {W}{t}}$

Die Leistung wird in der Einheit 1 Watt (1 W) angegeben.

• Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad $\eta$ gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie $\ E_{zu}$ in genutzte Energie $\ E_{nutz}$ umgewandelt wird.

$\eta ={\frac {E_{nutz}}{E_{zu}}}={\frac {P_{nutz}}{P_{zu}}}$

Der Wirkungsgrad hat keine Einheit, wird aber meistens in Prozent angegeben.

GWPh 8.2 Aufbau der Materie und Wärmelehre

Aufbau der Materie

• Teilchenmodell

Alle Körper bestehen aus Stoffen (z.B. Holz, Eisen, Plastik, Papier, ...).

Alle Stoffe in unserer Natur bestehen aus Teilchen, die Atome genannt werden.

Es gibt etwa 115 Atomsorten - Elemente genannt, aus denen sich alle Stoffe zusammensetzen lassen.

• Aggregatzustände

Ob ein Körper im festen, flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand vorliegt, hängt davon ab, wie sehr die Atome bzw. Moleküle durch Kräfte zwischen diesen Teilchen aneinander gebunden sind. Die Teilchen befinden sich in ständiger gegenseitiger Bewegung (--> Innere Energie).

Temperatur und innere Energie

• Temperatur als Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen

Die Teilchen besitzen innerhalb des Körpers kinetische Energie.

Die insgesamt innerhalb eines Körpers enthaltene Energie wird innere Energie genannt.

Je größer die innere Energie, desto höher die Temperatur eines Körpers und umgekehrt.

• Absoluter Temperaturnullpunkt

Die Temperatur, bei der die Teilchen eines Körpers keine innere Energie mehr haben, wird als absoluter Temperaturnullpunkt bezeichnet. Er liegt bei -273,15 °C.

• Änderung der inneren Energie durch Arbeit oder Wärme

Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten, die innere Energie eines Körpers und damit seine Temperatur zu erhöhen:

• durch Reibungsarbeit $W_{R}\$, die an dem Körper verrichtet wird.

Die verrichtete Reibungsarbeit entspricht dabei der Änderung der inneren Energie: $W_{R}=\Delta E_{i}$

• oder durch Wärmeübertragung $Q\$ auf den Körper.

Die übertragene Wärme(energie) (in Joule) entspricht dabei der Änderung der inneren Energie: $Q=\Delta E_{i}$

• 1. Hauptsatz der Wärmelehre

Die innere Energie eines Systems kann also durch mechanische Arbeit oder (und) durch Wärmeübertragung erhöht werden. Zusammenfassend:

$\Delta E_{i}=W_{R}+Q$

Dieser Zusammenhang stellt die Grundlage für das Verständnis von Wärmekraftmaschinen wie Dampfmaschine, Ottomotor, Dieselmotor, Zweitakt-Motor, Kühlschrank und Wärmepumpen dar.

• Grundgleichung der Wärmelehre

$\Delta E_{i}=c\cdot m\cdot \Delta \vartheta$

wobei $\ m$ die Masse des Körpers, $\Delta \vartheta$ die Temperaturänderung und $\ c$ die sogenannte spezifische Wärmekapazität des Stoffes ist, aus dem der Körper besteht.

Die spezifische Wärmekapazität $\ c$ eines Stoffes gibt an, wie viel Energie von 1 kg eines Stoffes abgegeben oder aufgenommen werden, wenn sich seine Temperatur um 1 Kelvin ändert.

• Änderung des Aggregatzustandes im Teilchenmodell

Viele Stoffe können sich im festen, flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand befinden.

Bei der Schmelztemperatur $\vartheta _{S}\$ und der Siedetemperatur $\vartheta _{V}\$ findet jeweils ein Übergang zwischen den Aggregatzuständen statt.

Bei diesen Übergängen muss Energie zugeführt werden (Schmelzen, Verdampfen, Sublimieren) bzw. wird Energie frei (Erstarren, Kondensieren, Verfestigen).

Volumenänderung

• Verhalten von Körpern bei Temperaturänderung

Mit der Temperatur eines Körpers ändert sich auch sein Volumen und somit auch seine Länge.

Fast alle Stoffe dehnen sich bei Ewärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen (Ausnahmen: Gummi, Anomalie des Wassers).

• Anomalie des Wassers

Wasser hat bei +4°C seine größte Dichte.

GWPh 8.3 Elektrische Energie

Ladung, Stromstärke, Spannung

Die elektrische Ladung $Q$ wird in der Einheit 1 Coulomb ($1~C=1~As$) angegeben.

Die elektrische Stromstärke $I$ gibt an, wie viel Ladung $Q$ (in C) pro Zeit $t$ (in s) durch einen Leiter fließen:

$I={\frac {Q}{t}}$

Die Stromstärke wird in der Einheit 1 Ampere (1 A) angegeben.

Es gilt: $1~A=1~{\frac {C}{s}}=1~{\frac {As}{s}}$

Die elektrische Spannung $U$ ist die Ursache des elektrischen Stromflusses. Sie gibt an, wie stark der Antrieb des Stromes durch die Stromquelle im Stromkreis ist.

Die Spannung wird in der Einheit 1 Volt (1 V) angegeben.

Widerstände im Stromkreis

Verschiedene Bauteile leiten den elektrischen Strom unterschiedlich gut. Der elektrische Widerstand $R$ eines Bauteils gibt an, wie sehr der elektrische Stromfluss in ihm behindert wird.

Einheit des elektrischen Widerstandes: 1 Ohm ($1~\Omega$).

Umso mehr Strom der Stromstärke $I$ bei einer bestimmten Spannung $U$ in einem elektrischen Leiter fließt, desto kleiner ist der elektrische Widerstand $R$. Dies führt zur Definition:

$R={\frac {U}{I}}$

Es ist also: $1~\Omega =1~{\frac {V}{A}}$

• Reihenschaltung von Widerständen

Im unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke an jeder Stelle des Stromkreises gleich groß:

$I_{ges}=I_{1}=I_{2}=I_{3}=...=I_{n}$

In einer Reihenschaltuung addieren sich die Teilspannungen zur Gesamtspannung:

$U_{ges}=U_{1}+U_{2}+U_{3}+...+U_{n}$

Bei Reihenschaltung ist der Gesamtwiderstand gleich der Summe der Teilwiderstände:

$R_{ges}=R_{1}+R_{2}+R_{3}+...+R_{n}$

• Parallelschaltung von Widerständen

Im verzweigten Stromkreis ist die Gesamtstromstärke gleich der Summe der Zweigstromstärken:

$I_{ges}=I_{1}+I_{2}+I_{3}+...+I_{n}$

Bei einer Parallelschaltuung ist die Gesamtspannung gleich aller Teilspannungen:

$U_{ges}=U_{1}=U_{2}=U_{3}=...=U_{n}$

In einer Parallelschaltung ist der Kehrwert des Gesamtwiderstandes gleich der Summe der Kehrwerte der Teilwiderstände:

${\frac {1}{R_{ges}}}={\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}+{\frac {1}{R_{3}}}+...+{\frac {1}{R_{n}}}$

Elektrische Energie und Leistung

Elektrische Energie ist die Fähigkeit des elektrischen Stroms, Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht zu erzeugen.

$E=P\cdot t=U\cdot I\cdot t$

Die Energie wird in der Einheit 1 Joule (1 J) angegeben. Es gilt: $1~J=1~W\cdot s=1~V\cdot A\cdot s$

Elektrische Leistung ist die Angabe, wie viel elektrische Energie pro Zeit umgewandelt wird.

$P=U\cdot I$

Die Leistung wird in der Einheit 1 Watt (1 W) angegeben. Es gilt: $1~W=1~V\cdot 1~A$

Web-Links

LeiFi-Physik Klasse 8

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