Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

120 ENERGIE Kohlenhydrate Fette Eiweiß Wärme Arbeit Die Möglichkeit, verschiedene Energieformen in mechanische und elektrische Energie umzuwandeln, ist eine Grundlage unserer Zivilisation. Wind- und Wasser- kraft haben wir in Physik 5 kennen gelernt. Mittels Turbinen stellen sie elektrische Energie bereit, früher trieben sie – wie das Mühlrad am Bach – Maschinen direkt an. Wärmekraftmaschinen wandeln Wärme in Arbeit um. Sie umfassen von der be- reits historischen Kolbendampfmaschine bis zum Flugzeugtriebwerk eine Vielzahl von Maschinen. Sie nutzen die Ausdehnung von Gasen bei Erwärmung und die da- bei auftretenden Kräfte. Im Allgemeinen soll kontinuierlich Arbeit verrichtet wer- den. Dafür muss die Maschine periodisch arbeiten und immer wieder dieselben thermodynamischen Zustände durchlaufen. Dabei wird Energie einem Speicher entnommen und teilweise als Arbeit genutzt, der andere Teil wird bei niedrigerer Temperatur an die Umgebung abgegeben. Damit stellt sich die Frage, wie viel auf- gewendete Energie tatsächlich genutzt wird, welchen Wirkungsgrad die Maschine erreichen kann und wie man ihn verbessern kann. Die Umkehrung der Wärmekraftmaschine ist die Wärmepumpe , die als Kühl- oder Gefrierschrank unverzichtbar geworden ist. Lebensmittel vor dem Verderb zu schützen war bis ins 20. Jh. ein großes Problem. Dank der Kühlgeräte können heute Lebensmittel und Medikamente bei Temperaturen aufbewahrt werden, bei denen Bakterien und Schimmelpilze sich nur langsam oder überhaupt nicht ver- mehren. Mit Arbeitsaufwand wird Wärme vom kälteren Körper zur wärmeren Um- gebung transportiert. Wärmepumpen dienen auch zur Heizung von Gebäuden, in- dem sie z. B. der Außenluft Energie entziehen und damit die Innenluft erwärmen. Ihr Antrieb erfolgt meist elektrisch, was bequem ist und am Ort keine Abgase ver- ursacht. Wärmekraftwerke liefern aus fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl, Erdgas), nuklearen Brennstoffen (Uran), oder erneuerbaren Energieträgern (Sonnenener- gie, Biomasse, Erdwärme) oder auch Müll elektrische Energie. Unser gewohnter Lebensstandard hängt von leicht verfügbarer und kostengünstiger elektrischer Energie ab. Die Erdbevölkerung wächst schnell und immer mehr Menschen wünschen sich zu Recht bessere Lebensbedingungen, d. h. besseren Zugang zu erschwinglicher Ener- gie. Dies bringt zwei Probleme mit sich: Wie groß sind die Vorkommen an fossilen Brennstoffen, wie lange reichen sie? Darf die Menschheit innerhalb weniger Jahrzehnte jene fossilen Reserven ver- brauchen, deren Bildung in der Natur Jahrmillionen gedauert hat und die den wichtigsten Rohstoff der chemischen Industrie bilden? Das zweite Problem ist erst seit 1980 ins Bewusstsein gerückt: Die Verbrennung der fossilen Energieträger erhöht den Anteil des Treibhausgases CO 2 in der Atmo- sphäre und trägt zur globalen Klimaerwärmung mit unerwünschten Folgen bei. 120.1 ? Ist der menschliche Organismus eine Wärmekraftmaschine? 120.2 Die Dampflokomotive „Austria“ war die erste Lokomotive in Österreich, gebaut wurde sie in England. 1837 zog sie den Eröffnungszug der „Kaiser Ferdinands Nordbahn“ von Wien bis Deutsch-Wagram. Bereits 1839 ging die Strecke bis Brünn (Tschechien). Die heute noch übliche Spurweite von 1435 mm hat der englische Eisenbahnpionier G EORGE S TEVENSON (1781–1847) eingeführt. 120.3 B ERTHA B ENZ und ihre beiden Söhne unternahmen 1888 mit dem „Benz Patent- Motorwagen Modell 3“ – 2,0ø-Einzylinder, 3 PS (2,2 kW), max. 20 km/h – die erste „Fernfahrt“ der Automobilgeschichte (106km) zwischen Mannheim und Pforzheim (nachgestellte Szene). 5 Wärme- und Kältetechnik In diesem Kapitel erfährst du, − wieso Wärme nicht zu 100 % als Arbeit genutzt werden kann, − wie Verbrennungsmotoren funktionieren, − wie Dampfmaschinen immer leistungsfähiger wurden, − wie Kühlschrank und Wärmepumpe funktionieren, − welche erstaunliche Phänomene nahe am absoluten Nullpunkt auftreten. Nur z Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv