Woher weiß die Schaukel, wie hoch sie auf der anderen Seite kommt? Übertragung, Umwandlung und Erhaltung als Basis jeder Energierechnung.
Der Energieerhaltungssatz — das Gesetz, auf dem jede Energierechnung in diesem Thema aufbaut.
Du lässt eine Schaukel los — und sie kommt auf der anderen Seite fast genau so hoch wieder an.
Energieerhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden.
Energieübertragung: Die Energie wechselt den Ort und geht von einem Körper auf einen anderen über.
Energieumwandlung: Die Energie wechselt die Form, zum Beispiel Lageenergie zu Bewegungsenergie.
Ort wechseln, Form wechseln, Menge bleibt — drei Begriffe, die du sauber trennen musst.
Drei Wörter klingen ähnlich, meinen aber etwas Verschiedenes.
Energieübertragungsketten
Mehrere Umwandlungen hintereinander schreibt man als Kette mit Pfeilen auf — hier zwei Beispiele zum Auffrischen:
Beachte beim ersten Beispiel das Pluszeichen: Es geht fast nie nur eine Form heraus, ein Teil landet immer als innere Energie in der Umgebung.
Und warum sagt man trotzdem „Energieverbrauch“?
Weil im Alltag nicht die Menge der Energie zählt, sondern ihre Nutzbarkeit.
Energieerhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant; abgeschlossen heißt, nichts geht rein, nichts geht raus.
Übertragen und umwandeln: Energie kann nur von einem Körper auf einen anderen übertragen und von einer Form in eine andere umgewandelt werden.
Übertragungskette: Mehrere Umwandlungen schreibt man als Kette mit Pfeilen; ein Teil landet meist als innere Energie in der Umgebung.
Energieentwertung: Die Energie bleibt vollständig erhalten, wird aber immer schlechter nutzbar.
Ein Energieflussdiagramm zeigt, wie die zugeführte Energie eines Geräts in nutzbare Energie und Abwärme aufgeteilt wird — der grüne Pfeil steht für den Nutzen, der orange für die Abwärme, ihre Breiten ergeben zusammen die zugeführte Energie. Der Maßstab legt fest, wie viel Joule ein Zentimeter Pfeilbreite bedeutet.
Halte fest: Die Pfeilbreite allein sagt nichts — erst der Maßstab macht aus Zentimetern Joule. Und die abgehenden Pfeile sind zusammen immer genau so breit wie der zugeführte Pfeil.
Beim leeren Akku ist keine Energie verschwunden — sie steckt als winzige Erwärmung in Gehäuse und Luft. Das richtige Wort dafür ist Energieentwertung, nicht Verbrauch.
Bei der Übertragung wechselt die Energie den Ort (Billardkugel 1 stößt Kugel 2), bei der Umwandlung die Form (Lageenergie wird Bewegungsenergie). Nur die Erhaltung sagt: Die Menge bleibt.
In jede Umwandlungskette gehört ein Pluszeichen: Bei der Taschenlampe entsteht neben Strahlungsenergie immer auch innere Energie im Gehäuse.
Der Merktext des Arbeitsblattes, das Bild vom abgeschlossenen System und die Erkenntnisse aus der Looping-Simulation.
Ein abgeschlossenes System kannst du dir wie eine Box vorstellen, die keine Energie hinein- oder hinauslässt.
Im abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant:
Eges = konstant
Eges = Ekin + Epot + Espann = konstant
Eges: Summe aller Energien im System.
Ekin: Bewegungsenergie des Körpers.
Epot: Lageenergie, also Höhenenergie.
Espann: Spannenergie in einer verformten Feder.
Mechanik: Die zweite Zeile gilt, weil dort nur diese drei Energieformen vorkommen.
Für fünf Punkte der Halfpipe haben wir bestimmt, wie groß die beiden Energien dort jeweils sind.
| Punkt | 1 · linke Kante | 2 | 3 · tiefster Punkt | 4 | 5 · rechte Kante |
|---|---|---|---|---|---|
| Epot | maximal | klein | gleich Null | groß | maximal |
| Ekin | gleich Null | groß | maximal | klein | gleich Null |
Die Summe aus beiden ist an jedem dieser Punkte gleich groß — genau das ist der Energieerhaltungssatz, nur in Worten statt in Zahlen.
In der Simulation ist die Skaterin eine Bahn mit Looping gefahren — drei Ergebnisse haben wir festgehalten.
Unterrichtsmaterial „Der Energieerhaltungssatz“, Aufgaben 1, 3 und 6