Energieumsatz bei chemischen Reaktionen/Energie aus physikalischer Sicht für Chemiker

Energie (aus dem altgriechischen: ἐν en „innen“ und ἔργον ergon „Wirken“) ist eine der fundamentalen Größen in der Physik. Die SI-Einheit ist Joule. Energie ist eine Größe, die in einem abgeschlossenen System immer gleich bleibt.

DEFINITION Energierhaltungssatz

In einem abgeschlossenen System bleibt die Energie immer konstant. Energieformen werden daher nur ineinander umgewandelt. Es geht keine Energie verloren oder wird erzeugt.

Praktisch ist ein solches abgeschlossenes System nicht wirklich zu realisieren, denn meist geht Energie in Form von Wärme verloren!

Vereinfacht wird Energie oft definiert als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.

Beispiele für Arbeit

• Hubarbeit - es erfodert Arbeit, einen Gegenstand um eine bestimmte Höhe anzuheben.
• Spannarbeit - es erfordert Arbeit eine zunächst ungespannte Feder um eine bestimmte Strecke verlängern.
• Beschleunigungsarbeit - es erfodert auch Arbeit einen Gegenstand, der in Ruhe ist (sich also nicht bewegt) auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen,
• Kompressionsarbeit - damit bezeichnet man die Arbeit, die an einem Gas verrichtet werden muss, um es zu verdichten (zusammenzudrücken).

Man kann auch anders sagen, muss braucht Energie, um die Arbeit zu verrichten. Das ist die Elektrische Energie, die ein Motor einer Seilwinde braucht, um etwas anzuheben. Um das Auto zu beschleunigen, braucht der Motor des Autos Energie, die ihm mit dem Benzin als Chemische Energie zugeführt wird. Und das ich Luft, die in einer Spritze eingeschlossen ist, zusammendrücken kann ist möglich, da ich meinem Körper Energie in Form von Nahrung zugeführt habe.

Das Besondere ist nun, dass man durch Arbeit Energie in verschiedene Formen bringen kann. So wird beim Anheben eines Gegenstandes die Elektrische Energie, die der Motor nutzt, in Potentielle Energie (= Lage-Energie) umgewandelt. Diese Lage-Energie könnte genutzt werden, um zum Beispiel an dem Gegenstand eine Schnur zu befestigen und etwas anderes anzuheben, also Hubarbeit zu leisten, oder damit einen Dynamo anzutreiben, der Strom, also elektrische Energie erzeugen kann.

Ähnliches passiert zum Beispiel bei Wasserkraftwerken. Die Lageenergie des aufgestauten Wassers ermöglicht es, das Wasser durch Turbinen laufen zu lassen. Das sich bewegende Wasser hat Bewegungsenergie, die bewirkt, dass sich die Turbinen drehen und dann damit Strom erzeugt werden kann.

Der Drei-Schluchten-Staudamm in China

AUFGABE 1 - Umwandlung von Energie bei einem Skater

Am Beispiel eines Skaters kann du sehen, wie verschiedene Energiearten ineinander umgewandelt werden können. Schalte dazu entweder das Kuchen- oder das Balkendiagramm an.

Aufträge:

• Welche Energiearten kommen hier vor?
• Nenne ein oder zwei Beispiele, wie hier Energieformen ineinander umgewandelt werden!
• In der zweiten Simulation (Reibung) scheint es so, dass Energie verloren geht. Wo geht die Lage bzw. Bewegungs-Energie hin?

Arten von Energie

Nach einigen Beispielen für verschiedene Arten von Energie hier eine komplette Übersicht mit Beispiel, wo diese Energiearten vorkommen.

AUFGABE 2 - Umwandlung von Energie in verschiedenen Arten von Kraftwerken

In dem Bild rechts findest du typische Vorgänge, bei denen in Kraftwerken Energiearten ineineander umgewandelt werden. Drucke dir das Bild aus und markiere in der Zeichnung folgendes farbig:

• Energiearten - blau
• Die Maschinen, in denen die Umwandlung geschieht - gelb
• Die Vorgänge bei denen die Umgang geschieht - rot

LÖSUNG - Aufgabe 2

VIDEO - Was ist Energie?

In einem Video von 15 min. erklärt Prof. Lesch noch einmal, was man sich unter Energie vorstellen kann.

• alpha-Centauri - Was ist Energie?

Da es auf dieser Seite nur um einen Abstecher in die Physik ging, um ausreichend Wissen für die Betrachtung der Energie bei chemischen Reaktionen zu haben, machen wir an dieser Stelle Schluss. Im Physik-Untericht wirst du dich noch genauer damit beschäftigen. Es folgen nun ein paar Interaktive Quizze, dait du testen kannst, ob du alels soweit verstanden hast.

Wir fassen aber noch einmal die einfachen Definition von drei Begriffen zusammen, zu Energie und Arbeit noch den Begriff Leistung.

DEFINITIONEN Energie, Arbeit, Leistung

• Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu leisten
• Arbeit ist Energie, die umgesetzt wird
• Leistung ist die Menge an Arbeit, die pro Zeit geleistet wird

Gemischte Übungen

AUFGABE 3 - Anwendung der Begriffe Energie, Arbeit und Leistung

Halte die Defintionen für Energie, Arbeit und Leistung im Heft fest. Fülle anschließend den Lückentext aus, um zu kontrollieren, ob die die Begriffe richtig verstanden hast.

AUFGABE 4 - Energieumwandlungen beim Fahrradfahren

Energie gibt es in vielen Formen. Wie schon im letzten Lückentext genannt, ist Energie gespeicherte Arbeit. Sehr häufig wird Energie nur von einer Form in eine anderen umgewandelt. Den folgenden Lückentext solltest du auch ohne Hilfe aus dem Physik-Buch bearbeiten können. Dabei wird ein Beispiel gezeigt, wo es zu Umwandlungen von Energie kommt.

AUFGABE 5 - Welche Energiearten kommen wir vor?

Energegewinnung? Nicht so ganz, denn Energie, dass hast du in der letzten Aufgabe gesehen, wird meistens nur von einer in eine andere Art umgewandelt. Bei dem folgenden Quiz sieht du einige Bilder, bei denen es um Energieumwandlung geht. Nicht nur um die Energiegewinnung im Sinne von Produktion von Strom.

FEHLT NOCH!!!!!

AUFGABE 6 - Energiegwinnung?

Bei einigen chemische Reaktionen, wie etwa das Verbrennen von Wachs oder Holz, wird Energie produziert? Was ist an dieser Aussage falsch?