Schriftliche Abschlussprüfung Physik 1998/99

Aufgabe 7 Energie, Umwelt, Mensch

 

7.1     In Deutschland waren 1998 ca. 51 Millionen PKW zugelassen, davon 87% mit einem Viertakt-Ottomotor.

7.1.1 Benennen Sie drei der im Bild gekennzeichneten Teile des Ottomotors.

7.1 .2 Geben Sie die Energieumwandlungen in einem Ottomotor an.

7.1 .3 Der Wirkungsgrad von Ottomotoren beträgt ca. 25% Erläutern Sie diese Angabe.

7.1.4 Trotz eines wesentlich höheren Wirkungsgrades werden Elektromotoren bisher nur selten zum Antrieb von Kraftfahrzeugen genutzt.
Nennen Sie einen Grund dafür.

7.1.5 Begründen Sie die besondere Eignung von Wasser als Kühlmittel für Ottomotoren.

 

7.2     Ein Dreipersonenhaushalt verbraucht jährlich ca. 3 000 kWh elektrische Energie.

7.2.1 Ein Staubsauger mit der Leistung 2000 W wird täglich eine halbe Stunde genutzt.
Berechnen Sie die monatlichen Kosten (30 Tage). Eine Kilowattstunde kostet 25 Pfennige.

7.2.2 Geben Sie ein elektrisches Gerät an, das elektrische Energie in thermische Energie umwandelt.

7.2.3 Nennen Sie eine technische Entwicklung, die im Haushalt zur Energieeinsparung beitragen kann.

 

7.3     Für die Warmwasserversorgung von Häusern können Sonnenkollektoren genutzt werden. Es wird angenommen, dass ein Sonnenkollektor mit einer Fläche von 1 m² in einer Stunde etwa 1000 kJ an thermischer Energie von der Sonne aufnehmen kann und diese an das Wasser abgibt.

7.3.1 Berechnen Sie die thermische Energie, die bei 6 Stunden Sonneneinstrahlung von 5 Sonnenkollektoren an das Wasser abgegeben wird.

7.3.2 Überprüfen Sie durch Rechnung, ob mit dieser Energie 200 l Wasser von 20°C auf 50°C erwärmt werden können.

7.3.3 Nennen Sie einen Grund für den Einsatz von Sonnenkollektoren.

 

7.4     Schon vor langer Zeit haben die Menschen erkannt, dass Wasser mechanische Arbeit verrichten kann.

7.4.1 Erläutern Sie eine Nutzung dieser Eigenschaft aus der Vergangenheit oder der Gegenwart.

7.4.2 Begründen Sie die Zunahme der Energie der Flüsse bei Hochwasser.

Lösung Aufgabe 7 Energie, Umwelt, Mensch
(Bitte beachten Sie den Hinweis am Ende der Seite)

7.1.1

1 Gehäuse (mit Kühlwasser)
2 Kolben
3 Einlassventil
4 Zündkerze
5 Auslassventil
6 Pleuelstange

7.1.2 Echem ® Etherm ®Ekin
Ekin ® Etherm (Reibung)

7.1.3 Dies bedeutet, dass nur 25% der aufgewendeten chemischen Energie als nutzbare kinetische Energie nach Umwandlung im Motor zur Verfügung stehen, der Rest der chemischen Energie wird als thermische Energie an die Umwelt abgegeben.

7.1.4 Ein Grund dafür liegt in der wesentlich geringeren Reichweite der Fahrzeuge, da sich die zum Fahren benötigte elektrische Energie in den zur Zeit verwendeten Batterien  nur schlecht speichern lässt und große Batterien daher ein sehr großes Gewicht haben.

7.1.5 Wasser ist ein sehr gutes Kühlmittel, weil es billig, ungefährlich und damit einfach zu handhaben ist sowie auf Grund seiner großen Wärmekapazität sehr viel Wärme vom Motor abführen kann.

7.2.1 ges.: K (monatliche Kosten)
geg.: Preis Pr = 0,25 DM/kWh
          P = 2000 W = 2 kW
          t = 0,5 h/Tag = 0,5 h/d

Lösung:

K = P · t · 30d · Pr
K = 2 kW · 0,5 h/d · 30 d · 0,25 DM/kWh
K = 7,50 DM

Die monatlichen Kosten betragen 7,50 DM.

7.2.2 Ein elektrisches Gerät, das elektrische Energie in thermische Energie umwandelt, ist das Bügeleisen.

7.2.3 Energiesparlampen können zur Energieeinsparung im Haushalt beitragen.

7.3.1 Eth = 5 · 6 h · 1000 kJ/h
          Eth = 30000 kJ
Fünf Sonnenkollektoren können in 6 Stunden 30000 kJ thermische Energie an das Wasser abgeben.

7.3.2 ges.: Q
geg.: V = 200 l ® m = 200 kg
          DJ = 30 K
          c =

Lösung: Q = m · c · DJ
               Q = 200 kg · 4,1868 · 30 K
               Q = 25120,8 kJ

Mit der Energie können 200 l Wasser von 20°C auf 50°C erwärmt werden.

7.3.3 Sonnenkollektoren nutzen erneuerbare Energiequellen und sind daher umweltfreundlich, da sie z.B. bei der Erwärmung des Wassers keine Abgase erzeugen.

7.4.1 Die Eigenschaft, dass Wasser mechanische Arbeit verrichten kann, wurde früher bei Wassermühlen genutzt. Dabei floss Wasser aus einem Bach auf das Wasserrad der Mühle und versetzte dieses in Drehungen. Im Innern der Mühle konnte dadurch Getreide zu Mehl gemahlen werden.

7.4.2 Die Energie der Flüsse bei Hochwasser nimmt zu, weil

  1. die Flüsse eine höhere potentielle Energie auf Grund der größeren Wassermenge und damit der Masse des Wassers haben;
  2. auf Grund der höheren Fließgeschwindigkeit der Flüsse die Flüsse eine höhere kinetische Energie besitzen, da die kinetische Energie zum Quadrat der Fließgeschwindigkeit direkt proportional ist.

Hinweis: Die vorliegenden Lösungen sind Musterlösungen des jeweiligen Autors und keine offiziellen Lösungen des Sächsischen Staatsministeriums für Kultus. Der Autor garantiert nicht für die Vollständigkeit und Richtigkeit der vorliegenden Lösung.

Herzlichen Dank an meine Kollegin Ines Stiller, die diese Lösungen kritisch begutachtete.

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