Änderung der inneren Energie bei Verbrennungsprozessen Ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Menschheit war es, das Feuer nutzbar zu machen. Durch Kochen und Braten werden die Lebensmittel leichter verdaulich. Mit Feuer werden Tongefäße hergestellt und Metalle geschmolzen. An der wärmenden Feuerstelle konnte der frühe Mensch auch im arktischen Klima überleben. Brennstoffe spielen heute und in Zukunft eine große Rolle. Bei der Verbrennung von Stoffen nimmt die innere Energie des Systems „Brennstoff + Sauerstoff“ durch die chemische Reaktion ab. Die Energiedifferenz wird als Wärme (und Licht) an die Umwelt abgegeben. Die Energiemengen variieren dabei je nach Substanz, die verbrannt wird. Zur Charakterisierung von Brennstoffen definiert man daher die materialabhängige Größe Heizwert (132.1): Der Heizwert gibt an, wie viel Energie bei der Verbrennung von 1 kg einer Substanz an die Umgebung abgegeben wird. Praktisch alle Brennstoffe außer reiner Kohle und Wasserstoff bestehen aus Kohlenwasserstoffen. Bei ihrer Verbrennung entsteht neben CO2 auch H2O, das als Dampf im Verbrennungsgas enthalten ist. Er wird als Nebel über Schornsteinen, am KFZ-Auspuff und als Kondensstreifen bei Flugzeugen sichtbar. Bei Erdgasheizungen ist es sinnvoll, die im Wasserdampf enthaltene Wärme zu nützen (siehe S. 110). Die wichtigsten Energieträger für private Haushalte in Österreich waren im Jahr 2019, dem letzten Jahr vor der Corona-Pandemie und vor dem Ukrainekrieg: Holz (30 %), Strom (24 %), Erdgas (19 %), Fernwärme (14 %), Heizöl (12 %), wobei die Beheizung der Wohnung im Mittel 70 % des Energiebedarfs erfordert. Nährwerte von Lebensmitteln Auch die Nährwerte unserer Nahrungsmittel können als Heizwerte verstanden werden. Was hat Nahrung mit Verbrennung zu tun? Über die Nahrungsmittel nehmen wir z. B. Kohlenhydrate auf. Diese werden bei der Verdauung in Traubenzucker umgewandelt, der vom Blut zur Muskulatur und zum Gehirn transportiert wird. Der Traubenzucker dient als „Brennstoff“ und wird mit Hilfe des Blutsauerstoffs (aus der Lunge) zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Dabei wird Energie in Form von Wärme und Muskelarbeit frei. Das Kohlenstoffdioxid atmen wir über die Lunge wieder aus. Die über die Oxidation eines Nahrungsmittels im Körper frei werdende Energie wird in den „Nährwerttabellen“ (früher „Kalorientabellen“) angegeben (132.2). Zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur und für die lebenswichtigen Körperfunktionen werden ungefähr 100 kJ Energie pro kg Körpergewicht und Tag benötigt. Diese Energiemenge bezeichnet man als den Grundumsatz. Der Grundumsatz ist nicht für alle Menschen gleich, er hängt u. a. vom Geschlecht und vom Alter ab. Ein weiterer Energieumsatz (Leistungsumsatz) wird für die Tätigkeit der Muskeln bei Arbeit und Sport, für das Wachstum, für erhöhten Wärmebedarf in kalter Umgebung und für geistige Tätigkeit benötigt. Als empfohlene Richtwerte für eine ausgewogene Energiezufuhr pro Tag für Personen mit einer leichten körperlichen Tätigkeit, z. B. Büroarbeit, gelten: Alter männlich weiblich 15 bis 19 Jahre 13 000 kJ 10 500 kJ 19 bis 25 Jahre 12 500 kJ 10 000 kJ 25 bis 51 Jahre 12 100 kJ 9 600 kJ 51 bis 65 Jahre 10 500 kJ 8 400 kJ über 65 Jahre 9 600 kJ 7 500 kJ Untersuche, überlege, forsche: Grund- und Leistungsumsatz 132.1 S4 Informiere dich über den Grundumsatz, der deinem Körperbau entspricht, und wie verschiedene Tätigkeiten den Leistungsumsatz beeinflussen. Schätze dann ab, welchen Energiebedarf du an einem Tag mit großer bzw. geringer körperlicher Anstrengung hast. Vergleiche dies mit dem Nährwert einer von dir verzehrten Mahlzeit. Material Heizwert Holz 14 Braunkohle 22–25 Steinkohle 25–29 Benzin 40 Diesel, Heizöl 42 Erdgas 50 132.1 Heizwert einiger Brennstoffe in MJ/kg Nahrungsmittel Nährwert 100 g Speck 3 550 100 g Frankfurter 1 050 100 g Rindfleisch 500 100 g Scholle (Fisch) 350 1 Hühnerei 300 100 g Vollkornbrot 950 100 g Butter 3 150 100 g Fettkäse 1 675 100 g Zucker 1 675 1 Apfel 300 100 g Reis 1 550 100 g Kartoffeln 300 100 g Spinat 75 1 l Vollmilch 3 750 100 g Schokolade 2 300 132.2 Nährwerte einiger Nahrungsmittel in kJ (Oft werden Nährwerte noch in der alten Einheit Kilokalorie angegeben. Umrechnung: 1 kcal = 4,182 kJ). 132.3 Heizung und Auto verbrauchen im Durchschnitt die meiste Energie in privaten Haushalten. Auto 12 000 kWh Elektrogeräte 3 300 kWh Warmwasser 4 000 kWh Heizung 12 000 kWh 132 Thermodynamik 4 Energie und Entropie Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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