Energieentwertung — warum Energie „verbraucht" scheint

Energy Degradation — Why Energy Seems "Used Up"

Physik Klasse 9 14 Aufgaben
EnergieEnergieentwertungKerncurriculum

Bei jedem realen Vorgang wird Energie entwertet: Sie verschwindet nicht, sondern verteilt sich als thermische Energie auf die Umgebung und ist dann nicht mehr nutzbar. Reibung, Bremsen und „Energieverluste" sind Umwandlungen in schwer nutzbare Energie — deshalb laufen Vorgänge von selbst nur in eine Richtung: Ein Ball hüpft immer niedriger, nie höher. Das präzisiert die Alltagsrede vom „Energieverbrauch": Verbraucht wird nicht Energie, sondern ihre Nutzbarkeit. Als drittes Grundelement des Energiebegriffs nach Formen und Umwandlung (Duit 1986; Lernprogression nach Neumann et al. 2013) trägt es den Wirkungsgrad und macht die Energieerhaltung erst glaubwürdig.

Voraussetzungen (1)

Energieformen und mechanische Arbeit
Klasse 9
›

Ermöglicht (2)

Energieerhaltung verstehen — Energie verschwindet nicht
Klasse 9
›
Leistung und Wirkungsgrad
Klasse 9
›
Leicht
Multiple Choice #1 15s â–¶ Testen

Ein Auto bremst bis zum Stillstand. Was ist mit seiner Bewegungsenergie passiert?

  • â—Ź Sie wurde zu thermischer Energie in Bremsen, Reifen und StraĂźe
  • â—‹ Sie ist verschwunden — beim Bremsen wird Energie vernichtet
  • â—‹ Sie wurde zu elektrischer Energie in der Batterie
Energie verschwindet nie. Beim Bremsen mit Reibungsbremsen wird die Bewegungsenergie in thermische Energie umgewandelt — Bremsscheiben können dabei mehrere hundert Grad heiß werden. (Nur E-Autos können beim Rekuperieren einen Teil in die Batterie zurückspeisen.)
Multiple Choice #2 15s â–¶ Testen

Ein Flummi hüpft nach jedem Aufprall etwas weniger hoch. Eine sehr empfindliche Wärmebildkamera filmt Ball und Boden an der Aufprallstelle. Was zeigt sie?

  • â—‹ Keine Temperaturänderung
  • â—‹ Ball und Boden werden ein wenig kälter
  • â—Ź Ball und Boden werden ein wenig wärmer
Der Flummi verformt sich beim Aufprall, und bei jedem Aufprall wandelt sich etwas Energie in thermische Energie um, die Ball und Boden geringfügig erwärmt. Diese Energie ist nicht weg — aber sie steht dem Hüpfen nicht mehr zur Verfügung.
Wahr / Falsch #3 12s â–¶ Testen

Der Akku eines Handys ist nach einem Tag leer. Die Energie, die er geliefert hat, ist damit vernichtet und existiert nirgendwo mehr.

âś“ Falsch
Energie wird nie vernichtet, sondern entwertet: Die Akku-Energie steckt jetzt als thermische Energie in Handy und Umgebungsluft und ist kaum noch nutzbar. Die Alltagsrede vom „Verbrauch" meint diesen Verlust an Nutzbarkeit.
Wahr / Falsch #4 15s â–¶ Testen

Ein kalter Kakao könnte sich von selbst wieder erwärmen, indem er die Wärme aus der Küchenluft zurückholt — man muss nur lange genug warten.

âś“ Falsch
Entwertung läuft von selbst nur in eine Richtung: Die Energie verteilt sich vom heißen Kakao in den Raum, nie umgekehrt von selbst zurück. Deshalb laufen reale Vorgänge nicht rückwärts.
Multiple Choice #5 20s â–¶ Testen

Eine GlĂĽhlampe wandelt nur etwa 5 % der elektrischen Energie in Licht um. Was geschieht mit den ĂĽbrigen 95 %?

  • â—Ź Sie werden als thermische Energie an die Umgebung abgegeben
  • â—‹ Sie werden vernichtet
  • â—‹ Sie flieĂźen zurĂĽck ins Kraftwerk
Die „fehlenden" 95 % heizen Lampe und Raum — deshalb wird eine Glühlampe so heiß. Die Energiebilanz stimmt immer; nutzbar ist nur der kleine Lichtanteil.
LĂĽckentext #6 15s â–¶ Testen

Bei jedem realen Vorgang wandelt sich ein Teil der Energie in ___ Energie um, die sich in der Umgebung verteilt.

âś“ Antwort: thermische
Reibung, Luftwiderstand und elektrischer Widerstand wandeln immer einen Teil der Energie in thermische Energie um — das ist der Kern der Energieentwertung.
Multiple Choice #7 20s â–¶ Testen

Ein Wasserkocher heizt Wasser. Wo bleibt hier trotzdem ein Teil der Energie „auf der Strecke"?

  • â—Ź Gehäuse, Dampf und Umgebungsluft werden mit erwärmt
  • â—‹ Ein Teil der Energie wird beim Kochen vernichtet
  • â—‹ Das Wasser gibt die Energie ans Stromnetz zurĂĽck
Auch beim fast idealen Wasserkocher entweicht Energie in Gehäuse und Raumluft — nutzbar für den Tee ist nur die Energie im Wasser. Der Rest ist entwertet, nicht verschwunden.
LĂĽckentext #8 12s â–¶ Testen

Vorgänge mit Energieentwertung laufen von selbst nur in ___ Richtung ab.

âś“ Antwort: eine
Entwertete Energie kehrt nie von selbst zurück — deshalb kühlt Heißes ab, bleibt Kaltes nicht heiß und hüpft kein Flummi von allein immer höher.
Mittel
Multiple Choice #1 25s â–¶ Testen

Welche Energie ist am wenigsten nutzbar?

  • â—Ź Thermische Energie, die sich gleichmäßig in der Umgebung verteilt hat
  • â—‹ Bewegungsenergie eines fahrenden Zuges
  • â—‹ Höhenenergie des Wassers im Stausee
Gespeicherte, „geordnete" Energie (Höhe, Bewegung, Spannung) lässt sich leicht weiter umwandeln. Einmal fein an die Umgebung verteilte thermische Energie lässt sich praktisch nicht mehr einsammeln — sie ist entwertet.
Multiple Choice #2 15s â–¶ Testen

Zwei gleiche Pendel werden gleich weit ausgelenkt — eines an der Luft, eines in einer luftleeren Glasglocke mit besonders reibungsarmem Lager. Welches schwingt länger?

  • â—‹ Beide gleich lang
  • â—Ź Das Pendel in der luftleeren Glocke
  • â—‹ Das Pendel an der Luft
Die Gesamtenergie bleibt immer erhalten — aber Reibung und Luftwiderstand entwerten die Schwingungsenergie nach und nach zu thermischer Energie in Lager und Luft. Je weniger davon, desto länger schwingt das Pendel. Für die Schwingung ist die Energie verloren, für die Bilanz nicht.
Wahr / Falsch #3 15s â–¶ Testen

Lisa schaltet das Licht aus, wenn sie ihr Zimmer verlässt. Physikalisch gesehen verhindert sie damit, dass nutzbare elektrische Energie zu kaum noch nutzbarer thermischer Energie entwertet wird.

âś“ Wahr
Energie kann man nicht „aufbrauchen", nur entwerten. Energiesparen heißt genauer, weniger hochwertige Energie (elektrisch, chemisch) in schwer nutzbare thermische Energie umzuwandeln.
Multiple Choice #4 15s â–¶ Testen

Welcher Vorgang läuft von selbst NIE rückwärts ab?

  • â—Ź Ein Tropfen Tinte verteilt sich im Wasserglas
  • â—‹ Eine Feder wird gespannt und wieder entspannt
  • â—‹ Ein Pendel schwingt nach links und wieder nach rechts
Verteilen ist wie Entwerten eine Einbahnstraße — die Tinte sammelt sich nie von selbst wieder zu einem Tropfen. Feder und Pendel pendeln dagegen zwischen Energieformen hin und her.
Wahr / Falsch #5 15s â–¶ Testen

Ein aufgezogenes Spielzeugauto ist quer durchs Zimmer gefahren und steht jetzt still. Die Gesamtenergie im Zimmer ist dadurch kleiner geworden.

âś“ Falsch
Die Gesamtenergie bleibt exakt gleich — die Spannenergie der Feder steckt jetzt als thermische Energie in Rädern, Achsen und Boden. „Verluste" bedeuten nur, dass diese Energie nicht mehr für das Fahren nutzbar ist.
Multiple Choice #6 25s â–¶ Testen

Eine Skaterin rollt ohne Anschieben in einer Halfpipe hin und her. Sie startet in 2,0 m Höhe, und jedes Mal kommt sie auf der anderen Seite nur noch auf 80 % der vorigen Höhe. Wie hoch kommt sie beim dritten Mal?

  • â—Ź Etwa 1,0 m
  • â—‹ 0,8 m
  • â—‹ 1,6 m
2,0 m → 1,6 m → 1,28 m → etwa 1,0 m. Bei jedem Durchgang geht derselbe Anteil (20 %) der noch vorhandenen Energie in Wärme und Schall über, nicht jedes Mal dieselben 0,4 m. 0,8 m entsteht, wenn man dreimal 0,4 m abzieht; 1,6 m ist erst die erste Höhe.