Unterrichtsmaterial zur Energietechnik

Einstieg und Allgemeines

• Download: Unterrichtsplanung für das TG.
• Download: Die Formelsammlung Energietechnik (PDF) wird auch beim Abitur (Technisches Gymnasium in Baden-Württemberg) mit den Aufgaben zur Energietechnik ausgegeben und darf bei der Lösung verwendet werden.
• Download: Übungsaufgaben zur Energietechnik (PDF mit Lösungen)
• Download: Kombinierte Aufgaben (PDF mit teilweise sehr ausführlichen Lösungen): Nicht nur im Fach Energietechnik, aber dort häufiger, taucht in den Abitur-Prüfungen ein Aufgabentyp auf, den viele Schüler gar nicht mögen. Die Ursache der Abneigung ist vermutlich, dass in diesen Aufgaben mehrere, wenn auch einfache technisch-physikalische Zusammenhänge verknüpft werden müssen. Wer die nicht verstanden hat oder wenigstens die Formeln präsent hat, insbesondere die Sache mit der Leistung, und/oder hilflos vor den Einheiten steht, ist schnell überfordert. Andere Schüler lösen diese Aufgaben im Handumdrehen, denn mathematisch sind sie so anspruchslos, dass ich sie die Dreisatz-Aufgaben nenne.
  Auch auf dieses Problem kann man sich vorbereiten, deshalb habe ich hier die bisher gestellten "Dreisatz-Aufgaben" mit ausführlichen Lösungen zum Üben zusammengestellt. Ein Vorschlag, wie man solche Aufgaben anpacken kann, ist in Ausarbeitung.
  
  Ich schätze diese Aufgaben übrigens sehr, denn wo soll sich technisches Verständnis schulisch auszahlen wenn nicht im Fach Technik? Dazu ein Zitat aus "Naturwissenschaft - Alles was man wissen muss" von Detlef Ganten, Thomas Deichmann und Thilo Spahl, München 2005, S.518: Das Lösen wohldefinierter Aufgaben macht nämlich nur einen kleinen Teil der menschlichen Intelligenz aus, ein weitaus komplexerer Teil besteht in der Fähigkeit, aus der unendlich vielfältigen Welt Probleme herauszuschälen, das heißt die Wirklichkeit zu begreifen und gestalten. Als Beispiele wohldefinierter Aufgaben nennen die Autoren Schach spielen und Fliegen fangen - beim ersten sind uns Computer überlegen, beim zweiten Frösche.
• Zum Einstieg beginne ich mit Aufbau, Funktionsweise und p,V-Diagramm eines Viertakt-Otto-Motors ( siehe unten ).

Ideale Gase

Verhalten idealer Gase: Gasgesetze und pV-Diagramm

Gesetze idealer Gase

Bei allen Wärmekraftmaschinen wird mechanische Energie aus erhitztem Gas gewonnen. Um diese Vorgänge zu verstehen, muss man das Verhalten von Gasen kennen. Eine Möglichkeit dazu ist die Zustandsgleichung für ideale Gase, die auch allgemeine Gasgleichung genannt wird und das Verhalten von Gasen mit einer einfachen Formel beschreibt.

• Download: Überblick über die Zustandsgleichung für ideale Gase und ihre wichtigen Sonderfälle (pdf) soll verdeutlichen, dass die Gasgesetze von Boyle - Mariotte, Gay-Lussac, Amontons und Poisson nur Spezialfälle des allgemeinen Gasgesetzes sind und einfach abgeleitet werden können.

pV-Diagramm

• Download: Dampfdruckschaubild einer Kolbendampfmaschine (pdf)

Links

• Link: Die AG Energiebilanzen scheint ein Instrument der Wirtschaft (Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung, Berlin; Deutscher Braunkohlen-Industrie-Verein e.V.) zu sein und listet die Energieströme in Deutschland auf. (12/2011)
• Uni Würzburg zeigt Videos zu Wärme, Wärmetransport, reale Gase, Gase, Grundlagen, Hauptsätzen. (07/2007)
• Link: Thomas Unkelbach verlinkt zahlreiche Java-Applets zur Demonstration der idealen Gasgesetze. (07/2006)
• Wikipedia: Gasgesetz, Universelle Gaskonstante, Adiabatenexponent, Isotherme Zustandsänderung, Adiabatische Zustandsänderung, Isobare Zustandsänderung, Isochore Zustandsänderung
• Klaus Wetzstein: Interaktive Animationen zu Motoren und zur Physik, darunter eine Darstellung der Zustandsgleichungen idealer Gase. (09/2003)
• Der Artikel Stirlingmotor bei Wikibooks geht auch auf die Eigenschaften der Gase und ihre Eignung als Arbeitsmedium ein. (06/2006)

Kreisprozesse ideal angenommer Gase

Viertakt-Ottomotor

• Interner Link: Motortechnik
• Download: Unterrichtsplanung für Kfz-Mechatroniker 1. Lehrjahr (PDF)
• p-V-Diagramm eines Ottomotors
• Link: howstuffworks: How Car Engines work (Ottomotor), How Diesel Engines Work (Dieselmotor), How Two-stroke Engines Work (Zweitakter), How Rotary Engines Work (Wankelmotor) (genial !, 12/2003)
• Link: Animationen von Zweitaktmotor, Viertakmotor, Dieselmotor und Wankelmotor gibt es bei anitech. Sie zeigen nicht nur den Ablauf der Prozesse, sondern auch interaktiv den Aufbau der Motoren und Bezeichnungen der Bauteile. (10/2007)
• Link: Informationen zu den Vorlesungen und Vorlesungsskripte zur Motorentechnik von Prof. Barthelmä an der Fachhochschule Landsberg. (12/2007)
• Externer Link: Gescheiterte Motorenkonzeptionen Von Prof. Stefan Zima (Fachhochschule Gießen Friedberg). (12/2007)
• Externer Link: Das Kapitel Brennkammer zum Thema HVOF (ein Flammspritzverfahren) von Prof. Klassen am Institut für Werkstofftechnik der Universität der Bundeswehr Hamburg hat nur indirekt mit Verbrennungsmotoren zu tun, zeigt aber Probleme bei der Verbrennung (01/2008). Bei der Gelegenheit einen Gruß an Prof. Kreye, den ich noch als Student erlebt habe.

Stirlingmotor

• Download: Stirlingmotor (PDF, 57 kB): Arbeitsblatt zur Funktion eines Stirlingmotors mit Lösungen
• Link: Experimente zur Thermodynamik der Universität Ulm enthält im Experiment TH-33 ein Versuchsblatt Stirlingmotor, Kältemaschine, Wärmepumpe und zahlreiche andere Versuche zur Thermodynamik. (07/2011)
• Link: Bei Motorlexikon.de findet man ein pV-Diagramm eines Stirlingmotors unter Teil- und Volllast. (06/2011)
• Link: Die neuseeländische Firma Whisper Tech Limited preist mit Whispergen kleine Blockheizkraftwerke auf der Basis von Stirlingmotoren an und bietet interessante Animationen und Beschreibungen. (03/2009)
• Link: Die Uni Würzburg zeigt Videos von Stirlingmotoren im Betrieb als Motor, Kältepumpe und Wärmepumpe mit p-V-Diagramm. (05/2007)
• Link: Dieter Viebach: Stirlingmotoren zum Selbstbau: Eine Anleitung zum Bau eines Konservendosen-Stirlingmotors in Buchform (s.u.) und Zeichnungen, Erfahrungsberichte und Rohgussteile für einen Stirlingmotor mit ca. 0,5kW Leistung (ST 50 G). (11/2003)
• Link: Klaus Wetzstein: Interaktive Animationen zu Motoren und zur Physik, darunter ist eine sehr gute Darstellung eines Stirling-Motors mit pV-Diagramm und Beschreibung. (09/2003)
• Link: Hugo Lindner baut selbst Stirling-Motoren und bietet Bilder, Links und Tipps. (02/2005)
• Link: www.stirlingmotor.com: Informationen und kommerzielle Angebote zu Stirlingmotoren. (12/2002)
• Link: Peter Fette: Ausführliche Beschreibung der Funktionsweise eines Stirling-Motors. (12/2002)
• Link: Artikel zu Stirlingmotor bei Wikipedia, Wikibooks, howstuffworks: How Stirling Engines Work (sehr gut)

Wärmepumpe

• Link: Unterrichtseinheit zum Thema Wärmepumpen von Markus Asmuth bei Lehrer-Online.de. (02/2006, Adresse geändert 01/2008)

Allgemeine Links

• Interner Link: Abitur-Aufgaben (Baden-Württemberg) zum Thema
• Link: Thomas Unkelbach verlinkt zahlreiche Java-Applets zu Wärmekraftmaschinen. (07/2006)

Grundlagen der Thermodynamik

1. Hauptsatz der Thermodynamik

• Link: Innere Energie bei Wikipedia. (06/2006)

2. Hauptsatz der Thermodynamik

Carnot-Wirkungsgrad

Wasserdampf (reales Gas)

p,v,T-Diagramm und das Verhalten von realem Wasser

Ingenieure können recht großzügig sein, was die Genauigkeit ihrer Daten und Formeln angeht, denn eine ungenaue Abschätzung ist besser als gar keine. Aber selbst Ingenieure rechnen nicht mehr mit dem Gesetz für ideale Gase, wenn das Gas zwischendurch flüssig wird, wie das bei den Wasserdampfprozessen in großtechnischen Wärmekraftwerken oder in Kältemaschinen der Fall ist. Dort wechselt der Aggregatzustand des Mediums zwischen flüssig und gasförmig, und die Zustandsänderungen können nicht mit einfachen Gleichungen beschrieben werden. In diesen Fällen arbeitet man mit experimentell ermittelten Tabellen (z.B. Wasserdampftafeln) oder Diagrammen, die daraus abgeleitet werden (z.B. T,s-Diagramm von Wasser).

• pvT-Diagramm (PDF, 1,4 MB): p,v,T-Diagramm eines reinen Stoffes mit Verständnisfragen am Beispiel von Wasser (mit Lösungen, Begriffe: Anomalie des Wassers, Dampfkochtopf, Desublimieren, Dipol, Garen, Kavitation, Kondensieren, Kristallisationsenergie, Kritischer Punkt, Nassdampf, Oberflächenschmelzen, Partialdruck, Reif, Schlittschuhlaufen, Siedelinie, Sublimieren, Taulinie, Tripellinie, Tripelpunkt, Überhitzen, Tau, Verdampfen, Verdunsten, Wasserstoffbrücke.
• T,s-Diagramm von Wasser: PDF, OpenOffice2 / LibreOffice (Calc), OpenOffice2 / LibreOffice (Draw)
• Link: Wasserdampf beim deutschen Wikipedia. (06/2006)
• Link: Unterrichtsmaterial zur Dichteanomalie von Wasser beim Landesbildungsserver Baden-Württemberg. (12/2007)
• Wasserdampftafel
  • Link: Peter Junglas: Wasserdampftafel für gesättigten Wasserdampf. (09/2003)

(Wasser-)Dampfprozesse

Dampfmaschine

• Link: www.DLok.de von Andreas Schäfer: sehr ausführlich. (11/2003)
• Link: howstuffworks: How Steam Engines Work (Dampfmaschinen) (sehr gut, 12/2003)
• Interner Link: Beschreibung einer Dampfpumpe von 1706 bei Geschichte der Technik.

Allgemeine Links

• Interner Link: Abitur-Aufgaben (Baden-Württemberg) zum Thema

Energiewirtschaft

• Externer Link: Interview der ZEIT mit Dirk van Laak über Desertec. (12/2009)
• Externer Link: Energiefluss-Diagramm bei Wikipedia enthält einige Links zu Energiefluss-Diagrammen mit dem Energieverbrauch in Deutschland uä. (10/2009)

Sonstiges

Alternative Antriebe

• Link: Unterrichtseinheit Alternative Antriebe beim Landesbildungsserver Baden-Württemberg. (01/2011)
• Link: Thermikkraftwerk im deutschen Wikipedia mag als Überblick genügen, praktisch realisiert ist zur Zeit keine dieser Anlagen. (11/2005)

Brennstoffzelle

• Link: Initiative Brennstoffzelle ist ein Zusammenschluss einiger Firmen, die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf Basis von brennstoffzellen anbieten. (05/2011)

Windenergieanlagen

• Link: Windenergieanlage im deutschen Wikipedia geht auf alle Aspekte der Stromerzeugung aus Windenergie in Deustchland ein. Der Artikel ist gut. (11/2005)
• Link: Thermikkraftwerk im deutschen Wikipedia mag als Überblick genügen, praktisch realisiert ist zur Zeit keine dieser Anlagen. (11/2005)

Wasserkraftwerke

• Download: Funktionsprinzip eines Osmosekraftwerkes (PDF)

Turbine

• Link: howstuffworks: How Gas Turbine Engines Work (Gasturbine) (sehr gut, 12/2003)

Vielen Dank für Korrekturhinweise

Links

• Externer Link: Informationen des Umweltbundesamtes zu Energie. (08/2010)
• Link: Das Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg bietet Informationen zur Energietechnik, wenn auch etwas versteckt unter "Wichtig für alle Branchen | Energie". (10/2007)
• Link: "Die Informations-Plattform Energie-Fakten.de ist eine Initiative unabhängiger Fachleute, die sich beruflich und wissenschaftlich mit unterschiedlichen Fragen der Energieversorgung und deren Wechselbeziehungen zu Umwelt und Gesellschaft beschäftigen. Sie wollen ihr Wissen und ihre Erfahrungen über das Internet einer möglichst breiten interessierten Öffentlichkeit "per Mausklick" zur Verfügung stellen,.. " (Eigenbeschreibung). Laut DENIC steht eine Technologie-Transfer-Initiative GmbH dahinter, die mit der Uni Stuttgart in Zusammenhang steht. (10/2007)
• Link: Daten / Statistiken / Infografiken / Landkarten beim Schulministerium NRW. (10/2007)
• Link: Studienarbeiten, Dissertationen usw. zum Thema Nachhaltige Entwicklung bei Prometheusonline.de. (12/2005)
• Technische und wirtschaftliche Infos zu: Forschung, Studienmöglichkeiten, Biodiesel, Biogas, Brennstoffzellen, Energieeinsparung, Holzpellets, Klima und Emissionen, Kraft-Wärme-Kopplung bzw. Blockheizkraftwerk und Wasserstoff.
• P. Krahmer: Gut kommentierte Linkliste zum Thema Energie und Energieversorgung. (06/2002)
• energie.ch: Zahlreiche praktische Informationen zur Energietechnik. (01/2003)

Energieversorgungsunternehmen

• Links zu den Energieversorgungsunternehmen im Internet vom Internationalen Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR). (08/2004)
• Lexikon Energiewelten (08/2004)
• Die Thüringische Energie AG bietet ein Medien für berufliche Schulen in Thüringen. (08/2004)

Energiespartipps

• EWS Schönau: umfangreiches PDF-Dokument (08/2004)
• EnBW: Energiesparhaus. (07/2005, Adresse geändert 01/2008))
• Initiative Energieeffizienz (05/2004)
• Energie- und Wasserspartechnik Ralph Bauer: kommerziell, aber informativ (05/2004)
• Wenn man den Begriff "sparsame Haushaltsgeräte" googlet, findet man Seiten, die dieselben auflisten. (08/2004)
  Darunter ist auch eine Seite, die für eine Verlinkung Gebühren verlangt !? Der Seitenbetreiber hat wohl keine Google-Aktien abbekommen;-)

Klausuren, Übungen und Skripte zur Thermodynamik

• Link: Übungen zur Thermodynamik an der Uni Stuttgart
• Vorlesungsskripte Energiewandlungssystem von Prof. Hein am Institut für Technik und ihre Didaktik der Uni Münster. Diese Seiten enthalten zahlreiche informative Skripte zu verwandten Themen. (08/2007)
• TU München, mit umfangreichem Material. (09/2003)

Literatur