Der Wasserkocher
AFB I–IIEin Wasserkocher wird an die Steckdose angeschlossen und erhitzt 1,5 l Wasser. Der Stromzähler zeigt an, dass der Kocher für einen Durchgang 0,15 kWh elektrische Energie aufgenommen hat. Ein Teil dieser Energie erwärmt das Wasser, ein weiterer Teil erwärmt das Kunststoffgehäuse und die umgebende Luft.
- Geben Sie an, welche Energieformen im Wasserkocher vorkommen und auf welchen Wegen die Energie jeweils übertragen wird.
- Berechnen Sie, wie viele Kilojoule der Wasserkocher in einem Durchgang aufnimmt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Energieformen: elektrische Energie (aus dem Netz) und thermische Energie (in Wasser, Gehäuse und Raumluft). Übertragungswege: elektrischer Strom von der Steckdose zum Heizelement, Wärme vom Heizelement an das Wasser und vom Gehäuse an die Luft, zusätzlich ein kleiner Anteil Strahlung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz: \( E = 0{,}15\,\mathrm{kWh} \cdot 3{,}6\,\frac{\mathrm{MJ}}{\mathrm{kWh}} \). Rechnung: \( E = 0{,}54\,\mathrm{MJ} = 540\,\mathrm{kJ} \). Antwort: Der Wasserkocher nimmt je Durchgang 540 kJ elektrische Energie auf.
Mit dem Rad den Berg hinauf
AFB II–IIILena fährt mit dem Fahrrad einen Berg hinauf und überwindet dabei einen Höhenunterschied von 80 m. Rad und Fahrerin haben zusammen die Masse 70 kg; rechnen Sie mit \( g = 9{,}81\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}} \). Für die Bergfahrt setzt Lenas Körper etwa 220 kJ Nahrungsenergie um. Oben angekommen ist sie warm geworden und ihr Trikot ist durchgeschwitzt. Zum Vergleich: Ein E-Bike-Akku speichert 0,5 kWh, ein Müsliriegel liefert rund 800 kJ. Nach der Fahrt sagt Lena: „Von den 220 kJ ist der Rest einfach verloren gegangen.“
- Erläutern Sie die Energiekette vom Müsliriegel bis zur Bergkuppe als Energieflussdiagramm in Worten.
- Vergleichen Sie die umgesetzte Nahrungsenergie mit der gewonnenen Lageenergie.
- Nehmen Sie Stellung zu Lenas Aussage über den „verlorenen“ Rest.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Chemische Energie im Müsliriegel → (im Muskel umgewandelt) → Bewegungsenergie von Beinen, Pedalen und Rad → (über Arbeit übertragen) → Lageenergie von Rad und Fahrerin auf der Bergkuppe. Auf jedem Schritt zweigt außerdem thermische Energie ab, die über Wärme an Körper, Reifen, Kette und Luft übertragen wird.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz: \( E_{\mathrm{lage}} = m \cdot g \cdot h = 70\,\mathrm{kg} \cdot 9{,}81\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}} \cdot 80\,\mathrm{m} \). Rechnung: \( E_{\mathrm{lage}} = 54\,936\,\mathrm{J} \approx 54{,}9\,\mathrm{kJ} \). Vergleich: \( \frac{54{,}9\,\mathrm{kJ}}{220\,\mathrm{kJ}} \approx 0{,}25 \). Antwort: Nur etwa ein Viertel der umgesetzten Nahrungsenergie erscheint als Lageenergie, rund drei Viertel nicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Aussage ist physikalisch falsch, auch wenn die Zahlen stimmen. Nach dem Satz von der Energieerhaltung kann Energie nicht verschwinden. Die rund 165 kJ, die nicht als Lageenergie gespeichert sind, wurden in thermische Energie umgewandelt und über Wärme an Lenas Körper, an Reifen, Kette und Lagerreibung sowie an die Umgebungsluft übertragen — das durchgeschwitzte Trikot ist genau dafür der Beleg. Richtig formuliert man: Die Energie ist nicht verloren, sondern entwertet, weil thermische Energie sich nur schlecht weiternutzen lässt. Als vollständig gilt eine Antwort, die die Energieerhaltung nennt, den Verbleib der Energie konkret benennt und den Begriff „verloren“ durch „entwertet“ bzw. „an die Umgebung abgegeben“ ersetzt.
