Grundlagen der Energie und Mechanik: Ein Glossar

Einfache Maschinen

Schiefe Ebene

Eine Rampe dient dazu, Lasten mit geringerem Kraftaufwand zu bewegen. Obwohl die benötigte Kraft kleiner ist, muss die Last über eine größere Distanz bewegt werden.

Rad und Achse

Ein Zylinder, der mit einem Handgriff gekoppelt ist, dient als Kraftmultiplikator.

Keil

Ein Keil ist eine doppelte schiefe Ebene. Die auf den Keil senkrecht zur Basis ausgeübte Kraft wird durch die schrägen Flächen des Keils übertragen und vervielfacht.

Pleuelstange

Eine Pleuelstange wandelt eine lineare Bewegung in eine kreisförmige Bewegung um oder umgekehrt.

Motoren und Energieumwandlung

Kompression und Verbrennung

Der Kolben steigt und verdichtet das Gemisch. Nach der Zündung durch die Zündkerze expandieren die heißen Gase explosionsartig und treiben den Kolben nach unten, wodurch viel Energie freigesetzt wird.

Auspuff- und Ansaugtakt

Wenn der Kolben nach unten fährt, werden die Abgase der vorherigen Verbrennung ausgestoßen und gleichzeitig ein neues Gemisch aus Luft und Benzindämpfen angesaugt.

Motor (Kurbeltrieb)

Ein Kurbeltriebsystem wandelt die lineare Bewegung des Kolbens in eine kreisförmige Bewegung um.

Kessel

Ein Kessel erzeugt durch das Sieden von Wasser Dampf unter hohem Druck.

Kondensator und Kolbenbewegung (Dampfmaschine)

Im Kondensator kühlt Wasserdampf ab und kondensiert, wodurch ein Vakuum entsteht. Bei der Kolbenbewegung tritt Dampf durch das obere Ventil in den Zylinder ein. Der Dampf dehnt sich aus und schiebt den Kolben. Durch das im Kondensator erzeugte Vakuum wird der Dampf durch ein Ventil abgesaugt, wenn der Kolben das Ende seines Hubs erreicht.

Flugzeugtriebwerke

Zu den Flugzeugtriebwerken gehören: Turbojet, Turbofan, Turboprop, Ramjet und Pulsstrahltriebwerke.

Zahnradgetriebe

Die Formel Z₁W₁ = Z₂W₂ beschreibt das Verhältnis in einem Zahnradgetriebe, wobei Z die Anzahl der Zähne und W die Winkelgeschwindigkeit ist.

Energiequellen und ihre Auswirkungen

Biomasse

Biomasse ist die kumulierte Energie lebender Organismen, die zur Gewinnung thermischer Energie verbrannt wird. Ihre Nutzung trägt zur Reduzierung der CO₂-Emissionen und der Akkumulation fester Abfälle bei.

Fossile Brennstoffe

Fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl sind die am häufigsten genutzten Energiequellen, aber auch die umweltschädlichsten.

Umweltauswirkungen fossiler Brennstoffe:

• Atmosphäre: Saurer Regen, Emissionen von Schadgasen und Feinstaub, die den Treibhauseffekt verstärken.
• Wasser: Ölteppiche durch versehentliche Freisetzung beim Transport und Versauerung von Gewässern durch Kohlenwasserstoffe.
• Land: Visuelle Beeinträchtigung von Landschaften und Denkmälern, Bodenverschmutzung durch Kohlenwasserstofflecks.

Solarenergie

Solarenergie ist eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle, deren Nutzung kostenlos und sauber ist.

Umweltauswirkungen der Solarenergie:

• Land: Minimale visuelle Beeinträchtigung durch die Herstellung und Installation von Solarkollektoren und -paneelen.

Windenergie

Windenergie wird durch Luftbewegungen erzeugt, die die Rotorblätter von Windkraftanlagen drehen. Ein Getriebesystem vervielfacht die Drehzahl, um einen elektrischen Generator anzutreiben.

Umweltauswirkungen der Windenergie:

• Atmosphäre: Lärmemissionen, Gefahr für Vögel.
• Land: Visuelle Beeinträchtigung der Landschaft.

Wasserkraft

Wasserkraft nutzt die potenzielle Energie von gestautem Wasser, das durch Turbinen und Generatoren fließt, um Strom zu erzeugen.

Umweltauswirkungen der Wasserkraft:

• Aquatisch: Unterbrechung des natürlichen Flusslaufs und Schaffung von Mikroklimata.
• Land: Überflutung von fruchtbaren Böden und bewohnten Gebieten.

Photovoltaik

Bei der Photovoltaik wird Sonnenlicht in Photovoltaikanlagen direkt in Elektrizität umgewandelt.

Geothermische Energie

Geothermische Energie nutzt die im Erdinneren gespeicherte Wärme. Kaltes Wasser wird durch Rohre geleitet, wo es sich erwärmt und dann zur Energiegewinnung genutzt wird.

Umweltauswirkungen der Geothermie:

• Atmosphäre: Emissionen von kontaminierenden geothermischen Dämpfen.
• Aquatisch: Kontamination des umliegenden Wassers mit Arsen, Bor und Ammoniak.
• Land: Risiko von Bodensenkungen durch die Installationen.

Kernenergie

Bei der Kernenergie werden die Kerne von Uranatomen gespalten, wodurch große Mengen an Wärmeenergie freigesetzt werden. Diese Wärme erzeugt Wasserdampf, der Turbinen und Generatoren zur Stromerzeugung antreibt.

Umweltauswirkungen der Kernenergie:

• Atmosphäre: Geringe Emissionen, außer bei Unfällen.
• Aquatisch: Erwärmung von Flüssen.
• Land: Visuelle Beeinträchtigung durch die Lagerung radioaktiver Abfälle.

Hochspannungsleitungen

Umweltauswirkungen von Hochspannungsleitungen:

• Atmosphäre: Erzeugung von elektrischen und magnetischen Feldern hoher Intensität.
• Land: Visuelle und ästhetische Beeinträchtigung.

Gezeitenenergie

Umweltauswirkungen der Gezeitenenergie:

• Aquatisch: Beeinträchtigung der Unterwasserwelt.
• Land: Visuelle und landschaftliche Auswirkungen.

Grundlegende Konzepte und Definitionen

Elektrische Leistung

Elektrische Leistung (P) ist die pro Zeiteinheit verbrauchte elektrische Energie. Die Formel lautet: P (Leistung in Watt) = V (Spannung in Volt) × I (Stromstärke in Ampere).

Windkraftanlage (Aerogenerator)

Eine Windkraftanlage ist eine vertikale Struktur, die Windenergie in elektrische Energie umwandelt.

Photovoltaikzelle

Eine Photovoltaikzelle ist ein Bauelement, das Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandelt.

Wechselrichter (Konverter)

Ein Wechselrichter ist ein Gerät, das Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt.

Nachhaltige Entwicklung

Nachhaltige Entwicklung ist eine Entwicklung, die die Bedürfnisse der heutigen Generation befriedigt, ohne die Fähigkeit zukünftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen, und dabei ein Gleichgewicht zwischen verfügbaren Ressourcen und den Anforderungen der Gegenwart wahrt.

Energiequelle

Eine Energiequelle ist ein System oder Körper, der Energie speichern und durch Umwandlung freisetzen kann.

Kernfusion

Kernfusion ist eine Reaktion, bei der zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern verschmelzen, wobei eine große Menge an Energie freigesetzt wird.

Heliostat

Ein Heliostat ist ein Gerät mit einem Mechanismus, der einen Spiegel so bewegt, dass er der Sonne folgt und so stets die maximale Sonneneinstrahlung über den Tag hinweg einfängt.

Saurer Regen

Saurer Regen ist Niederschlag, der gelöste giftige Gase aus der Verbrennung von Kraftstoffen in Motoren und thermischen Fahrzeugen enthält.

Staudamm

Ein Staudamm ist eine dicke Mauer, die in einem Flusslauf errichtet wird, um Wasser zu speichern.

Kernspaltung

Kernspaltung ist die Fragmentierung eines Atomkerns, bei der Energie freigesetzt wird.

Transformator

Ein Transformator ist eine Komponente, die Spannungen und Stromstärken (hoch/niedrig oder niedrig/hoch) umwandelt.

Mechanik

Die Mechanik ist die Lehre von der Bewegung und den Kräften.

Thermisch

Bezieht sich auf Temperatur oder Wärme.

Chemisch

Bezieht sich auf chemische Prozesse oder Substanzen.

Kernreaktionen

Kernreaktionen sind Prozesse, die den radioaktiven Zerfall von Atomkernen umfassen.

Strahlungsenergie

Bezieht sich auf elektromagnetische Strahlung.

Elektrisch

Bezieht sich auf bewegte elektrische Ladungen.

Energie

Energie ist die Fähigkeit eines Systems oder Körpers, Arbeit zu verrichten oder Veränderungen hervorzurufen.

Energieumrechnungen:

• 1 kcal = 4180 J = 4,18 kJ
• 1 kWh = 3.600.000 J = 3600 kJ