Einstieg und Allgemeines

  • Download: Unterrichtsplanung für das TG (TuM) .
  • Download: Unterrichtsplanung für das TG (Mechatronik, nicht mehr aktualisiert) .
  • Formelsammlungen für Energietechnik, die auch beim Abitur (Technisches Gymnasium in Baden-Württemberg) mit den Aufgaben zur Energietechnik ausgegeben 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.

    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.

pV-Diagramm

Links

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)
  • Externer Link: Das Kapitel Brennkammer zum ThemaHVOF(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

Wärmepumpe

Allgemeine Links

Grundlagen der Thermodynamik

1. Hauptsatz der Thermodynamik

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
  • Link: Wasserdampf beim deutschen Wikipedia. (06/2006)
  • Wasserdampftafel
    • Link: Peter Junglas: Wasserdampftafel für gesättigten Wasserdampf. (09/2003)

(Wasser-)Dampfprozesse

Dampfmaschine

Allgemeine Links

Energiewirtschaft

  • Externer Link: Energiefluss-Diagramm bei Wikipedia enthält einige Links zu Energiefluss-Diagrammen mit dem Energieverbrauch in Deutschland uä. (10/2009)

Sonstiges

Alternative Antriebe

  • 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

Turbine

Links

Energieversorgungsunternehmen

Energiespartipps

  • EWS Schönau: umfangreiches PDF-Dokument (08/2004)
  • 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;-)

Literatur

Cover des Buches: Thermodynamik von Rainer Müller

Rainer Müller: Thermodynamik - Vom Tautropfen zum Solarkraftwerk
 

2013, 431 Seiten, Walter de Gruyter GmbH Berlin Boston

Der "Müller" legt besonderen Wert auf Didaktik und ist damit für Lehrer und interessierte Schüler besonders geeignet.

Inhaltsverzeichnis

  1. Biologie und Chemie des Kochens
  2. Wasser und Dampf - Kochen im Schnellkochtopf
  3. Phasenübergänge in der Natur - Dampf, Tau, Nebel
  4. Das ideale Gas - Cornelius Drebbels Wunderapparatur
  5. Fundamentale Konzepte: Kinetische Gastheorie
  6. Der erste Haupstaz - Thermodynamik des Backofens
  7. Adiabatische Prozesse - Luftdruck, Thermik, Wolken
  8. Thermodynamische Kreisprozesse: Heizen mit Wärmepumpen
  9. Fundamentale Konzepte: Die Entropie als Zustandsgröße
  10. Fundamentale Konzepte: Der zweite Hauptsatz
  11. Fundamentale Konzepte: Mikroskopische Deutung der Entropie
  12. Kraftwerksprozesse - Strom von der Sonne
  13. Mechanismen der Wärmeübertragung - Windchill
  14. Instationäre Wärmeleitung - Das perfekte Frühstücksei
Cover des Buches: Energie von Martin Buchholz

Martin Buchholz: Energie - Wie man etwas verschwendet, das nicht weniger werden kann?
 

2016, 249 Seiten, Springer Verlag Berlin Heidelberg

Mit Entropie rechnen habe ich als Ingenieur gelernt, aber Martin Buchholz hat mir endlich eine einfache Erklärung von Entropie geliefert, die man so auch an Schüler weiter geben kann → Kurzversion bei Youtube: Entropie - Science Slam Finale - Von Kühltürmen und der Unumkehrbarkeit der Dinge.

Cover des Buches: Technologie Energie von Reinhard Schubert

Stefan Roth, Achim Roth: Mechanik und Wärmelehre - Experimentalphysik - anschaulich erklärt
 

2016, 738 Seiten, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Dieses Lehrbuch nähert sich von den Experimenten her an die Wärmelehre an. Ob ich es empfehlen darf, weiß ich nicht, schließlich durfte ich einen ganz kleinen Teil in Form eines Bildes dazu beitragen ;-)

Cover des Buches: Technische Thermodynamik von Günter Cerbe und Gernot Wilhelms

Günter Cerbe, Gernot Wilhelms: Technische Thermodynamik - Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen
 

2008, 536 Seiten, Carl Hanser Verlag München

Sonstige

Cover des Buches: Technologie Energie von Reinhard Schubert

Reinhard Schubert: Technologie Energie - Thermodynamik, Energietechnik, Umwelt, regenerative Energien, rationeller Energieeinsatz
 

2000, 199 Seiten, Verlag Handwerk und Technik, Hamburg.

Das Buch enthält ein großes Programm auf wenig Raum und ist für den Einstieg im Schulunterricht geeignet. Zur Unterrichtsvorbereitung und bei Interesse am Thema ist es m.E. zu knapp.

Cover des Buches: Baehr - Thermodynamik

Hans Dieter Baehr: Thermodynamik
Eine Einführung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen

1973, 440 Seiten, Springer Verlag

Eine Erinnerung an meinen Professor in Thermodynamik. 40 Jahre später höre ich, dass der Baehr immer noch ein Standardwerk hinsichtlich Nomenklatur und Formelwerk in der Thermodynamik ist. Freut mich, aber auch für interessierte Schüler oder Studenten würde ich es nicht als Einstieg in die Thermodynamik empfehlen.

Cover des Buches: Stirling-Maschinen von Werdich

Martin Werdich: Stirling-Maschinen

1991, 120 Seiten, ökobuch Verlag

Ein informatives Buch für Theorie und Praxis: es enthält anschaulich die thermodynamischen Grundlagen und den Bauplan für einen Flachplatten-Stirlingmotor zum Selbstbau

Cover des Buches: Stirlingmotor von Viebach

Dieter Viebach: Der Stirlingmotor - einfach erklärt und selbst gebaut

2002, 104 Seiten, ökobuch Verlag

Der Titel ist Programm. Neben einer Erklärung des Prinzips einschließlich p-V-Diagramm enthält das Buch eine ausführliche Anleitung zum Bau eines Konservendosen-Stirlingmotors aus einfachen Materialien mit einfachen Mitteln bis hin zur Leistungsmessung. Der Motor ist zum Selbstbau oder zur Fertigung im Technik-Unterricht geeignet.

Cover des Buches: Wärme von Tyndall

John Tyndall: Die Wärme, betrachtet als eine Art der Bewegung

1894 (4. deutsche Auflage nach der achten englischen Auflage von 1890, Erstauflage 1863 in London), 718 Seiten, Verlag von Friedrich Vieweg und Sohn
Tyndall ist nicht ganz aktuell, aber sehr anschaulich, denn es handelt sich um das Skript zu seinen Vorlesungen vor Laien.

Cover des Buches: Dampflokomotivdienst von Leopold Niederstraßer

Leopold Niederstraßer: Leitfaden für den Dampflokomotivdienst

1940, 491 Seiten, Verkehrswissenschaftliche Lehrmittelgesellschaft

Eine Anwendung der Energietechnik, wenn auch nicht auf dem neuesten Stand. Wer eine Ausgabe in die Finger bekommt, dem empfehle ich einen Blick hinein.

Cover des Buches: Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau

Dubbel:
Taschenbuch für den Maschinenbau

1989 (29.Auflage), ca. 1400 Seiten, Springer Verlag

Cover des Buches: Hütte - Grundlagen der Ingeniuerwissenschaften

Hütte - Grundlagen der Ingenieurwissenschaften

2001 (20.Auflage), ca. 1600 Seiten, Springer Verlag

Cover des Buches: Metzler - Physik

Joachim Grehn, Joachim Krause (Hrsg.):
Metzler Physik

1998,576 Seiten, Schroedel Verlag

Cover des Buches: Tipler - Physik

Paul A. Tipler
Physik

1995 (Amerikanische Ausgabe 1991), 1522 Seiten, Spektrum Akademischer Verlag
Bietet Grundlagen zur Thermodynamik

Cover des Buches: Shachtman - Minusgrade - auf der Suche nach dem absoluten Nullpunkt

Tom Shachtman: Minusgrade - auf der Suche nach dem absoluten Nullpunkt

2001 (amerikanisches Original 1999), 317 Seiten, rororo

Wissenschaftsgeschichte von Galilei über Boyle, Amontons und Carnot bis Müller / Bednorz. Bringt zwar wenig zum Unterricht Energietechnik, ist aber trotzdem interessant

Cover des Buches: Leopold Niederstraßer: Leitfaden für den Dampflokomotivdienst

Leopold Niederstraßer: Leitfaden für den Dampflokomotivdienst

1940,491 Seiten, Verkehrswissenschaftliche Lehrmittelgesellschaft
Eine Anwendung der Energietechnik, wenn auch nicht auf dem neuesten Stand.

Cover des Buches: Friedrich Neumann - Windkraftmaschinen

Friedrich Neumann: Windkraftmaschinen - Windmühlen, Windturbinen und Windräder

1907,174 Seiten, Nachdruck durchReprint Verlag Leipzig
Auch eine Anwendung der Energietechnik, die nicht mehr ganz aktuell ist.