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Horst Schecker, Thomas Wilhelm, Martin Hopf und Reinders Duit (Hrsg.)Schülervorstellungen und Physikunterrichthttps://doi.org/10.1007/978-3-662-57270-2_8

8. Schülervorstellungen zu Energie und Wärmekraftmaschinen

Horst Schecker1   und Reinders Duit2  
(1)
FB 1 Physik/Elektrotechnik, Institut für Didaktik der Physik, Universität Bremen, Postfach 330440, 28334 Bremen, Deutschland
(2)
IPN - Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik, Universität Kiel, Heisterkamp 14, 24211 Preetz, Deutschland
 
 
Horst Schecker (Korrespondenzautor)
Email: schecker@uni-bremen.de
 
Reinders Duit
Email: rduit@t-online.de
8.1 Einführung
8.2 Vorstellungen zur Energie
8.2.1 Energie als mengenartige Größe
8.2.2 Energieverbrauch
8.2.3 Energieformen und Arbeit
8.3 Vorstellungen zu Wärmekraftmaschinen
8.4 Unterrichtskonzeptionen
8.5 Testinstrumente
8.6 Literatur zur Vertiefung
8.7 Übungen
Literatur

8.1 Einführung

„Wenn Energie nicht verbraucht wird – wofür bezahlen wir dann bei der Rechnung vom E-Werk?“ Pfiffige Schülerinnen und Schüler kommen selbst auf diese Frage, sonst sollte man sie als Lehrkraft stellen. Die Klärung des ‚Energieverbrauchs‘ trägt wesentlich zum Aufbau eines angemessenen Energieverständnisses bei. Man kann die Vorstellung des Verbrauchs aufgreifen und umdeuten, wenn man im Unterricht die Aspekte der Energieerhaltung und der Energieentwertung in einen engen Zusammenhang bringt. Die Erscheinungsformen der Energie sowie Transport und Austausch von Energie stellen die zwei weiteren zentralen Aspekte des Energiebegriffs dar. Über diesen vier Aspekten steht die Frage nach der grundlegenden Konzeptualisierung von Energie als rechnerische Bilanzierungsgröße oder als etwas Quasi-Dingliches, das fließen und gespeichert werden kann.

Energie ist das zentrale Basiskonzept der Physik und daher auch der nationalen Bildungsstandards1 für das Fach Physik. In allen Themengebieten der Physik sind Betrachtungen unter dem Aspekt der Energie hilfreich. Man denke z. B. an Stromkreise als Energietransportsysteme, Licht als Form des Energieflusses in der Optik oder Energiezustände von Atomen in der Quantenphysik. Schülerinnen und Schüler stellen sich ‚Energie‘ als eine Art Treibstoff vor. Beim Antrieb von Vorgängen wird der Treibstoff – die ‚Energie‘ – verbraucht. Physikalisch betrachtet ist Energie eine abstrakte Erhaltungsgröße – eine Größe, deren Wert sich bei Vorgängen in abgeschlossenen Systemen nicht ändert. Es ist fachlich und fachdidaktisch schwierig, zwischen diesen beiden Aspekten zu vermitteln, da Energie auch in der physikalischen Fachsprache oftmals wie etwas Quasi-Stoffliches erscheint. Im vorliegenden Kapitel sind fachliche Klärungen der Schülervorstellungen besonders wichtig. Dazu zählt insbesondere auch die Frage, wie anschaulich der Energiebegriff im Unterricht behandelt werden kann, wenn er gleichzeitig fachlich fruchtbar bleiben soll.

8.2 Vorstellungen zur Energie2

8.2.1 Energie als mengenartige Größe

„Energie braucht man, um etwas zu bewirken“

In der Regel verbinden Schülerinnen und Schülern mit dem Wort „Energie“ etwas Positives: „Energie“ wird mit Aktivität, Schwung, Freude und Schaffenskraft in Verbindung gebracht. ‚Energie‘ ist etwas, was man braucht, um zu handeln und Wirkungen zu erzielen. Man kann hier vom anthropozentrischen Energieverständnis sprechen. Menschen und Tiere können über ‚Energie‘ verfügen oder mit ‚Energie‘ aufgeladen sein. Müden und abgeschlagenen Menschen fehlt ‚Energie‘. ‚Energie‘ kann man z. B. durch körperliche Aktivität freisetzen. Das intuitive Schülerverständnis von ‚Energie‘ hat ein Potenzial, an dem man im Sinne einer Aufbaustrategie (Abschn.​ 3.​3) anknüpfen kann. Problematisch ist die assoziative Nähe zu „Kraft“ als Teil des Clusterkonzepts Kraft/Energie/Wucht/Schwung (Abschn.​ 4.​3).

„Energie ist ein speicherbares Etwas – eine Art Treibstoff“

Viele Schüleraussagen zur Energie lassen sich verstehen, wenn man von einer Vorstellung der Energie als etwas Stofflichem oder Quasi-Stofflichem ausgeht. ‚Energie‘ ist demnach so etwas wie ein in Körpern enthaltener unsichtbarer Treibstoff. Teilweise findet man eine Verwechslung oder Gleichsetzung von Energie und Energieträger. Dann ist Benzin aus Schülersicht ‚Energie‘.

Die quasi-stoffliche Vorstellung von Energie wird im Unterricht durch Sprechweisen und Begriffe gefördert, z. B. „Energiereservoire“, „spezifische Wärmekapazität“ oder „Energiegehalt“. Energieflussdiagramme legen es nahe, Energie als eine Quasi-Substanz zu verstehen, die zwischen Körpern bzw. Systemen ausgetauscht werden kann. Quasi-stoffliche Darstellungen von Energie sind zwar anschaulich und werden von Schülerinnen und Schülern gerne aufgegriffen, sie werden der physikalischen Konzeptualisierung von Energie als abstrakter Erhaltungsgröße jedoch nicht gerecht. Kasten 8.1 setzt sich mit der Frage auseinander, inwieweit die Vorstellung von einem strömenden Etwas vertretbar ist.

Kasten 8.1: Wie anschaulich darf Energie für den Unterricht konzeptualisiert werden?

Physikalisch handelt es sich bei Energie um eine abstrakte rechnerische Größe, die den Zustand eines Systems kennzeichnet und deren Wert sich bei Vorgängen innerhalb des Systems nicht ändert. Erst wenn zwei Systeme in Wechselwirkung treten, kann sich der Wert der Größe für jedes der beiden Systeme ändern. Die Summe bleibt jedoch gleich. Feynman, Leighton und Sands (1991; S. 59f.; Hervorhebung im Original) schreiben zur Energieerhaltung: „Es ist nicht die Beschreibung eines Mechanismus oder von irgendetwas Konkretem. (…) Es ist wichtig, dass wir in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist. … Jedoch gibt es Formeln zur Berechnung einer numerischen Größe, und wenn wir alles zusammenaddieren, ergibt es … immer die gleiche Zahl.“

Folgt daraus für den Physikunterricht, dass jegliche anschauliche Vorstellung von Energie unzulässig sei – dass man also Formulierungen, die etwas Quasi-Dingliches assoziieren, wie „Energieinhalt“ oder „Wärmemenge“, vermeiden müsse? Abgesehen davon, dass dies fachsprachlich kaum möglich wäre und zu einer extrem gekünstelten Ausdrucksweise führen würde – es entspräche auch nicht der Praxis in der physikalischen Forschung. Harrer (2017) zeigt, dass in physikalischen Veröffentlichungen historisch und aktuell Metaphern wie „Energieaustausch“ oder „Energiespeicherung“ verwendet werden und verdeutlicht das Veranschaulichungspotenzial gegenüber reinen Zahlenangaben für Energiewerte. Duit (1987) hat herausgearbeitet, dass eine quasi-materielle Vorstellung mit der klassischen Physik durchaus verträglich ist. Schülerinnen und Schüler können damit z. B. Energiebilanzen anschaulich anhand von Energieflüssen durchdenken. Lehrkräfte müssen allerdings darauf achten, dass die mengenartige Vorstellung nicht zu einer materiellen Treibstoffvorstellung wird.

Als Analogie zu Energie als Bilanzierungsgröße und Erscheinungsformen von Energie (z. B. potenziell und kinetisch) bietet sich der Währungsumtausch an3: In Deutschland und in England gibt es unterschiedliche Währungen und der Wechselkurs regelt den Umtausch. Die Angaben in Pfund und Euro beziehen sich auf den gleichen abstrakten Wert, früher auf den Wert von Gold. Dieser abstrakte Wert steht für die Energie, die Währungen für konkrete Erscheinungsformen von Energie. (Man könnte die Analogie noch weitertreiben und eine Gebühr einführen, die bei jedem Umtausch anfällt. Das wäre die Energie, die als Wärme aus dem System herausfließt bzw. sich bei der Bank ansammelt.) Eine Geldanalogie, die weniger auf die Unterschiede zwischen Energieerscheinungsformen abhebt und stärker betont, dass Energie stets Energie bleibt, verwendet keine unterschiedlichen Währungen, sondern unterschiedliche Konten, zwischen denen die Energie umgebucht wird, z. B. vom „Konto chemische Energie“ zum „Konto thermische Energie“, so wie man Geld vom Girokonto auf ein Sparbuch überweist.

„Energie wird von A nach B gebracht“

Die Vorstellung eines Flusses, Transfers oder Transports von Energie wird von Lernenden selbst gebildet oder im Unterricht schnell aufgegriffen. Für den Energiefluss suchen Schülerinnen und Schüler nach mechanischen Modellen. Sie denken dabei an materielle Träger wie strömende Luft oder Elektronen im Stromkreis. Elektrischer Strom und elektrische Energie sind für Lernende mit sehr ähnlichen Bedeutungen belegt (Abschn.​ 6.​2.​3).

Träger- und Energiefluss werden oftmals vermengt. Das zeigt der folgende Interviewausschnitt. Darin äußert sich ein Schüler (6. Klasse) zu der Frage, warum sich die Flügel eines Ventilators drehen, der an eine Batterie angeschlossen ist.

Schüler:

Die Batterie enthält Energie und da sie (die Batterie, d. Verf.) mit den Propellerflügeln verbunden ist, kann sie Energie zu ihnen übertragen und sie zum Drehen bringen.

Interviewer:

Kannst Du das ein bisschen mehr erklären?

Schüler:

Die Elektronen, die sich in der Batterie befinden, werden zu den Flügeln transferiert, sie gehen durch sie durch, sie versorgen sie mit Energie, und das bringt sie zum Drehen. 4

Während die erste Schüleraussage noch als physikalisch angemessen interpretiert werden kann, bringt die auf Nachfrage gegebene Erklärung der Energieübertragung das „Rucksackmodell“ (Kasten 6.​3) für den Energietransport im Stromkreis zum Ausdruck: Elektronen machen sich aus der Batterie auf den Weg zum Ventilator und versorgen diesen mit Energie.

8.2.2 Energieverbrauch

„Energie wird verbraucht“

Die Vorstellung des Verbrauchs von Energie wird durch die Alltagssprache und Darstellungen in den Medien nahegelegt. Auf der Website des Umweltbundesamts findet man: „Die Raumwärme macht nun rund drei Viertel des Energieverbrauchs in Haushalten aus.“5 „Energieverbrauch in Deutschland steigt weiter“ überschreibt Zeit-Online einen Beitrag zum Klimawandel6 und führt aus: „Überdurchschnittlich stark nahm der Mineralölverbrauch zu.“ In solchen Formulierungen wird der ‚Energieverbrauch‘ mit dem Verbrauch des Energieträgers gleichgesetzt. Es ist daher verständlich, dass Schülerinnen und Schüler bei ‚Energie‘ an einen Quasi-Stoff oder sogar Treibstoff denken, der z. B. beim Heizen oder dem Antrieb von Motoren verbraucht wird. In enger Verbindung damit steht die Vorstellung des ‚Stromverbrauchs‘ (Abschn.​ 6.​2.​3).

Die im Denken der Schülerinnen und Schüler dominante Verbrauchsvorstellung ist ein schwerwiegendes Hindernis für das qualitative Verständnis der Energieerhaltung. Häufig wird im Mechanikunterricht versucht, anhand eines Fadenpendels zu verdeutlichen, dass zwar die Erscheinungsformen der Energie (Lage- und Bewegungsenergie) wechseln, die Energie selbst aber erhalten bleibe. Das hat gegenüber der medialen Präsenz des ‚Energieverbrauchs‘ außerhalb des Physikraums jedoch wenig nachhaltige Wirkungen. Die Verbrauchsvorstellung wird dadurch entweder kaum berührt oder die Lernenden meinen, Energie bleibe nur unter idealen Bedingungen im Physiklabor erhalten, unter realen Alltagsbedingungen gelte das aber nicht. Da zudem die idealisierte Energieerhaltung beim Fadenpendel wenig bis gar nichts mit der Verwendung des Energiebegriffs in der Lebenswirklichkeit der Schülerinnen und Schüler zu tun hat, befördert das Beispiel die Schülerwahrnehmung eines separaten Energiebegriffs des Physikunterrichts ohne sinnvolle Vernetzung mit Alltagserfahrungen.

Sinnvoll ist es daher, Schülerinnen und Schülern ein Angebot zu machen, das ihre Vorstellungen des ‚Energieverbrauchs‘ aufgreift und physikalisch umdeutet (Aufbaustrategie, Abschn.​ 3.​3), statt sie als falsch abzutun. Dazu muss der Aspekt der Erhaltung von Energie mit dem Aspekt der Entwertung verbunden werden. Bei Prozessen, in denen sich die Erscheinungsformen der Energie ändern, bleibt der Gesamtbetrag der Energie konstant, jedoch nimmt fast immer der Nutzwert der Energie ab. Dies ist z. B. beim Übergang von chemischer zu thermischer Energie der Fall, d. h. zu der Erscheinungsform der Energie, die sich etwa in der ungeordneten Bewegung von Luftmolekülen ausdrückt. Backhaus und Schlichting7 haben fachliche Klärungen und Unterrichtsvorschläge dazu ausgearbeitet: Der Antrieb von Vorgängen beruht nicht auf einem ‚Energieverbrauch‘, sondern hat mit der Entwertung von Energie zu tun. Näheres wird in Kasten 8.2 ausgeführt.

Kasten 8.2: Energieentwertung

Bei der Energieentwertung handelt es sich um eine spezielle Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik: Thermisch vorliegende Energie lässt sich nicht vollständig in andere Erscheinungsformen, insbesondere mechanische oder elektrische, überführen. Sie hat daher einen geringeren Wert.

Über den „Wert“ von Energie zu sprechen, ist im Rahmen des physikalischen Denkens erklärungsbedürftig, denn Werturteile im Sinne eines praktischen Nutzwerts oder sogar Preises von Energie beziehen sich auf außerhalb der Physik liegende Kriterien. Den höheren Nutzwert von elektrisch bereitgestellter Energie kann man pragmatisch so verstehen: Elektrische Energie kann man im Haushalt für mehr Zwecke einsetzen als thermisch bereitgestellte Energie. Es lässt sich damit sowohl eine Waschmaschine betreiben als auch eine Kochplatte heizen. Die gleiche Menge Energie thermisch bereitgestellt könnte man nur zu Heizzwecken verwenden – es sei denn, man hat im Keller einen Stirlingmotor mit angeschlossenem Generator. Und auch dann wäre nur ein Teil in elektrische Energie überführbar (Kasten 8.5).

Schlichting (1983, S. 31) hat den Gedankengang zur Energieentwertung so formuliert: „Ein Vorgang (Prozess, Zustandsänderung) ist mit Energieentwertung verbunden, wenn aus dem Endzustand nicht ohne Weiteres der Anfangszustand wiederhergestellt werden kann.“ „Ohne Weiteres“ bedeutet hier nicht „von selbst“, sondern nur „mit äußerem Eingriff“ und unter Aufwand von Energie.

Die Energie(erscheinungs)formen mechanisch, elektrisch und chemisch sind höherwertiger als thermisch; bei thermisch vorliegender Energie sinkt der Wert mit abnehmender Temperatur. Damit lässt sich die am Beginn dieses Kapitels gestellte Schülerfrage beantworten, wofür wir beim Energieversorgungsunternehmen bezahlen. Das Unternehmen liefert Energie in hochwertiger elektrischer Form. Elektrische Energie kann für praktisch alle Zwecke im Haushalt verwendet werden, für den Betrieb von Geräten ebenso wie für Beleuchtungszwecke und vieles mehr. Nehmen wir an, wir nutzen sie für einen Heizstrahler. Selbst wenn man dem Energieversorger die dabei auftretende thermische Energie zurückliefern könnte, könnte dieser daraus nicht wieder die gleiche Menge elektrischer Energie zurückgewinnen. Mit thermischer Energie kann man deutlich weniger bewerkstelligen als mit elektrischer. Ihr Gebrauchswert ist geringer. Wir zahlen also für die Verringerung des Gebrauchswerts der Energie, d. h. für den Nutzen, den wir gezogen haben.

„Energie geht verloren“

Die Vorstellung des Energieverlusts ist eine Variante der Energieverbrauchsvorstellung. Während die Energie aus Schülersicht beim ‚Verbrauch‘ bewusst für nützliche Zwecke eingesetzt wird – Heizen, Antrieb, Fortbewegung – ist der ‚Energieverlust‘ bei vielen anderen realen Vorgängen ungewollt, jedoch unvermeidbar, z. B. bei der Pendelschwingung oder beim Abbremsen eines Fahrrads. Schülerinnen und Schüler gehen im Mechanikunterricht problemlos darauf ein, statt von ‚Energieverlust‘ davon zu sprechen, dass Energie auf thermischem Wege abfließt – was im Unterricht oft unzulässig als „Umwandlung in Wärme“ bezeichnet wird. Damit rückt für Lernende jedoch keineswegs der Energieerhaltungsaspekt in den Vordergrund. Die gedankliche Fixierung auf den eigentlich interessierenden Vorgang – die Pendelschwingung oder die Fortbewegung – lässt den ‚Verlust‘ als das Hervorzuhebende erscheinen. Die Schülerinnen und Schüler ziehen, physikalisch formuliert, die Systemgrenze um den sich bewegenden Körper. Die von der Umgebung aufgenommene Energie erscheint von untergeordneter Bedeutung. Von daher ist für sie der ‚Energieverlust‘ viel sichtbarer als die im Gesamtsystem geltende Energieerhaltung.

Dieser Fokus auf die kleinen „Verluste“ statt auf die globale Erhaltung führt bei Aufgaben wie in Abb. 8.1 dazu, dass Schülerinnen und Schüler Wert darauf legen, die Kugel rolle auf der rechten Seite „nicht ganz auf die gleiche Höhe“, zumindest bei den Aufgabenteilen b und c. Auch beim Fadenpendel trete ein „klitzekleiner Unterschied“ immer auf. Hinweise im Aufgabenstamm auf Reibungsfreiheit werden überlesen oder von der dominierenden Verlustvorstellung überspielt. Das eigentliche Problem liegt darin, dass die Lehrkraft mit dem skizzierten Vorgang ein Gedankenexperiment meint, das frei ist von allen störenden äußeren Einflüssen, während die Lernenden überlegen, wie der Vorgang unter realen Bedingungen tatsächlich ablaufen würde. Es trägt zur Klarheit bei, wenn man im Unterricht nicht nur die beiden unterschiedlichen Vorhersagen, sondern auch die beiden damit verbundenen Denkrahmen gegenüberstellt.
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Abb. 8.1

Aufgabe zur Energieerhaltung (Abbildungen nach Duit, 1981, S. 298; Übersetzung d. Verf.).

„Energie bleibt nur unter idealen Bedingungen erhalten“

Schülerinnen und Schüler interpretieren ihre Erfahrungen bei Alltagsvorgängen mit den Konzepten des ‚Verbrauchs‘ oder ‚Verlusts‘ von Energie. Im Physikunterricht hingegen wird ihnen die Erhaltung der Energie nahegebracht. Das erfolgt meist an Versuchsanordnungen, die dafür speziell konstruiert sind, wie z. B. einem Stabpendel, das in einem speziellen Lager sehr reibungsarm aufgehängt ist. Die Lehrkraft verbindet das oft mit Formulierungen wie „unter idealen Bedingungen … “ oder „ … wenn man die Reibung vernachlässigt“. Damit wird eine Schülervorstellung gefördert, wonach bei Vorgängen außerhalb des Physikraums bzw. Physiklabors das Prinzip der Energieerhaltung nicht gelte oder zumindest nicht bedeutsam sei.

Natürlich sollten im Unterricht Experimente eingesetzt werden, um den Sinn der Annahme der Energieerhaltung zu veranschaulichen, aber man sollte darauf verzichten, die Energieerhaltung als experimentelle Tatsache darzustellen. Vielmehr sollte die Energieerhaltung als fundamentale physikalische Grundüberzeugung eingeführt werden, die sich sehr bewährt hat, auch wenn sie bei Messungen nur mit viel Aufwand bestätigt werden kann (Kasten 8.3). Diese Darstellung entspricht der historischen Genese des Energiekonzepts. Die Energieerhaltung ist kein aus der Erfahrung oder aus Messungen abgeleitetes Prinzip. Es handelte sich vielmehr zunächst um eine theoretische Spekulation, dass „Etwas“ bei allen Prozessen in der Natur erhalten bleibt (im Sinne von „von nichts kommt nichts“). Wenn man dieses Etwas in geeigneter Weise quantifiziert (mithilfe von Masse, Geschwindigkeit, Ort, Temperatur etc.), kann man unter der Erhaltungsannahme Vorhersagen machen, die sich empirisch überprüfen lassen.8 Wenn die Erhaltung in einem Experiment einmal nicht gegeben zu sein scheint, sucht man so lange nach der fehlenden Energie, bis die Summe wieder stimmt, ober man führt zu diesem Zweck eine neue Erscheinungsform der Energie ein, die in die Berechnungen aufzunehmen ist.

Vor dem Physikunterricht verbinden einige Schülerinnen und Schüler mit ‚Energieerhaltung‘ den nachhaltigen Umgang mit Ressourcen. Sie denken dann nicht an die Konstanz einer physikalischen Größe, sondern sehen das Energieerhaltungsprinzip als Aufforderung für eine schonende Nutzung eines begrenzten Vorrats an ‚Energie‘.

Kasten 8.3: Innere Energie und Energieerhaltung

Es ist ein fundamentales Prinzip der Physik, dass bei jeglichem Vorgang eine bestimmte Größe, die sich für alle beteiligten Körper berechnen lässt, in der Summe erhalten bleibt: die Energie.

Nehmen wir als Körper einen gasgefüllten Zylinder (Abbildung); das System besteht dann aus Gasteilchen, Zylinderwand und Kolben.
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Gasgefüllter Zylinder mit Kolben

Dem System kann auf verschiedenen Wegen Energie zugeführt werden. Zwei einfache Beispiele:

  • Man kann den Kolben gegen den Gasdruck weiter in den Zylinder hineindrücken, d. h. am System Arbeit W verrichten bzw. Energie auf mechanischem Wege zuführen. Wenn das System gut wärmeisoliert ist, erhöhen sich der Druck des Gases und die Temperatur des Gesamtsystems: Seine innere Energie U nimmt zu. Das erfolgt auf Kosten der Energie, die für das Hineindrücken des Kolbens erforderlich ist. Umgekehrt gibt das System auf mechanischem Wege Energie ab (es verrichtet selbst eine Arbeit W), wenn der Kolben sich gegen einen äußeren Widerstand im Zylinder nach links verschiebt. Dies geht auf Kosten der inneren Energie.

  • Ist der Zylinder ein guter Wärmeleiter, kann man ihn mit einem Widerstandsdraht umwickeln und elektrisch heizen. Auch dadurch nimmt die innere Energie U zu (wenn man den Kolben fixiert). Dafür wird elektrische Energie aufgewendet, die auf thermischem Wege zugeführt wird (als Wärme Q). Ebenso kann das System bei Kontakt mit einem kühleren Körper innere Energie thermisch abgeben.

Die Energiebilanz bei Prozessen dieser Art, die für Wärmekraftmaschinen eine wichtige Rolle spielen, wird in der Thermodynamik beschrieben mit:
$$\Delta U = W + Q$$

In Worten: Die innere Energie U eines Systems kann auf mechanischem oder thermischem Wege verändert werden – d. h. als Arbeit W oder Wärme Q. Dabei muss die dem System zugeführte Energie anderen Systemen entnommen werden. Insgesamt bleibt die Energie erhalten.

Die innere Energie eines Systems setzt sich zusammen aus der kinetischen Energie der Gasteilchen (Translation, Rotation, Schwingung) und der Energie aufgrund von Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen (insbesondere bei Aggregatzustandsänderungen) sowie gegebenenfalls der Energie chemischer Bindungen und der Kernbindungsenergie.

Es ist wichtig, die äußeren Grenzen der betrachteten Systeme im Auge zu behalten. Energie fließt stets über die Grenze von einem System in ein anderes. Nur wenn man alle beteiligten Systeme mit in die Bilanzierung einbezieht, gilt die Energieerhaltung. Anders herum formuliert: Scheint die Gesamtenergie einmal nicht erhalten zu bleiben, hat man ein oder mehrere beteiligte Systeme außer Acht gelassen.

Man kann den Zylinder auch auf eine Luftkissenbahn stellen und beschleunigen. Dadurch erhöht sich die kinetische Energie des Gesamtsystems. Die dafür notwendige Energie kann z. B. einer gespannten Feder entnommen werden, die als Katapult dient. Um die kinetische Energie des Gesamtsystems von der inneren Energie abzugrenzen, spricht man manchmal auch von äußerer Energie.

8.2.3 Energieformen und Arbeit

Energietransfer und Energieformen

Aus Untersuchungen zu Schülervorstellungen sind bezüglich des Energietransfers – anders als bei der Energieerhaltung – keine grundsätzlichen Lernhemmnisse bekannt. Die Grundidee, dass Energie von einem Körper auf einen anderen übergeht, wird von Schülerinnen und Schüler selbst geäußert oder problemlos akzeptiert. Sie können damit bei der Beschreibung von Energietransferketten gut umgehen. Bei diesem Transfer können unterschiedliche Perspektiven eingenommen werden:

  • Perspektive Energie(erscheinungs)form: chemische Energie → elektrische Energie → kinetische Energie,

  • Perspektive Energie(form)wandler: Kohlekraftwerk → Ventilator → Windrad.

Differenzierter zu betrachten ist die Frage, ob etwas und – falls ja – was dabei mit der Energie passiert. Lernende verbinden mit dem Wechsel der Energieform unterschiedliche Vorstellungen:

  • wesensmäßige Unterschiede: „Kinetische Energie ist eine ganz andere Art von Energie als z. B. chemische Energie“,

  • andere Erscheinungsformen des Gleichen: Energie bleibt Energie – ganz egal, ob sie sich in einer Bewegung als kinetische Energie ausdrückt oder in einem Zuckerwürfel als chemische Energie vorliegt,

  • Wechsel des Energieträgers: Energie bleibt Energie, sie geht z. B. nur vom Zuckerwürfel auf einen Marathonläufer über.

Hier bestehen Unklarheiten, die zum Teil lehrbedingt sind, etwa wenn im Unterricht von „Energieumwandlungen“ die Rede ist und damit die Vorstellung einer anderen Art von Energie nahegelegt wird. Anschlussfähig für die physikalische Begriffsbildung ist die Vorstellung der Erscheinungsformen. Daran anknüpfend kann man, wie auch bei der Energieträgervorstellung, die Energieerhaltung als Prinzip der Erhaltung einer über die gesamte Transferkette erhaltenen übergeordneten Systemgröße Energie deuten.9 Bei der Energieträgervorstellung, die im Chemieunterricht und Biologieunterricht vorherrscht, besteht die Gefahr, dass Lernende Träger und Energie gleichsetzen, im Sinne von ‚Benzin ist eine Form von Energie‘. Andererseits kann man mit der Unterscheidung zwischen Energie und Energieträger10 das Prinzip „Energie bleibt Energie“ gut veranschaulichen. Andere Darstellungsweisen von Energieflussdiagrammen vermitteln den Eindruck, dass unterschiedliche Formen von Energie transferiert werden (Abb. 8.2).
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Abb. 8.2

Zwei Arten von Energieflussdiagrammen; das obere Diagramm trennt zwischen dem Energiefluss (dicke Pfeile) und dem Fluss von Energieträgern (dünne Pfeile); das untere zeigt den Fluss von Energie in unterschiedlichen Energieerscheinungsformen. (Abb. nach Schecker & Theyßen, 2007).

Unter Energieformen verstehen Schülerinnen und Schüler neben den physikalischen Erscheinungsformen (kinetische, potenzielle etc.) auch Verbindungen mit Energieträgern oder Quellen, z. B. Windenergie, Sonnenenergie.

„Arbeit bedeutet Anstrengung“

Fachlich steht Energie in enger Verbindung mit dem Begriff der Arbeit. Im Mechanikunterricht wird der Zusammenhang häufig über den Satz „Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten“ hergestellt. Zwischen dem Arbeitsbegriff der Physik und dem Alltagsverständnis von Arbeit bestehen jedoch grundlegende Unterschiede. Mit „Arbeit“ assoziieren Schülerinnen und Schüler körperliche Anstrengung. Sie denken an das, was sie selbst oder andere Personen beim „Arbeiten“ tun. Anders als „Energie“ ist „Arbeit“ negativ konnotiert (unangenehm, anstrengend).11

Ein verbreitetes Unterrichtsbeispiel ist das statische Halten einer schweren Tasche mit ausgestrecktem Arm. Daran soll herausgestellt werden, dass keine Arbeit verrichtet wird, wenn zwar eine Kraft wirkt, aber keine Ortsverschiebung parallel zur Kraftrichtung erfolgt. Mit dem Beispiel wird die Schülervorstellung ‚Arbeit bedeutet Anstrengung‘ aktiviert. Für das physikalische Verständnis ist ein Perspektivwechsel notwendig – weg von der Person oder dem System, die bzw. das „arbeitet“, und hin zum Energiefluss zwischen Systemen. Nur wenn Energie auf mechanischem Wege von einem System in ein anderes fließt, kann man von Arbeit sprechen. Es reicht nicht aus, dass der Halter der Tasche sich anstrengt, ohne dass der Tasche dadurch Energie zugeführt wird (Kasten 8.4).

Das Halten einer Tasche ist kein gutes Thema bei der Einführung des Arbeitsbegriffs. Erklärungsansätze, bei denen die Anstrengung beim Halten durch An- und Entspannen der Muskelfasern mit mechanischer Arbeit in Verbindung gebracht werden soll, sind physiologisch anspruchsvoll und gehen am eigentlichen physikalischen Kern des Problems vorbei, nämlich dem fehlenden Energiefluss zur Tasche. Verwenden sollte man das Beispiel nur im Rahmen einer bewussten Konfrontationsstrategie von Alltags- und physikalischen Konzepten (Abschn.​ 3.​2).

Physikalisch bezeichnet Arbeit den Prozess der Energieübertragung zwischen Systemen auf mechanischem Wege (Kasten 8.4). Aus fachdidaktischer Sicht sollte in der Mechanik der traditionelle Dreischritt Kraft – Arbeit – Energie zumindest hinsichtlich Energie und Arbeit umgekehrt werden, da Energie bessere Anknüpfungsmöglichkeiten an das Schülervorverständnis bietet.

„Leistung ist das, was man geschafft hat“

Alltagssprachlich bezeichnet „Leistung“ das Ergebnis eines Prozesses. Eine Leistung wird „erbracht“ und „belohnt“. Physikalisch bezieht sich Leistung hingegen auf die Intensität des Energietransfers ($P = \Delta E/\Delta t)$, d. h. einen laufenden Prozess. Dieser kategoriale Unterschied muss im Unterricht klar benannt werden, z. B. in der Elektrizitätslehre im Zusammenhang mit den Einheiten Watt und Wattsekunden (letztere für die elektrische Arbeit, d. h. die elektrisch übertragene Energie).

Kasten 8.4: Energie und Arbeit

Der traditionelle Dreischritt im Physikunterricht lautet Kraft – Arbeit – Energie. Energie wird im Mechanikunterricht zumeist nachgeordnet als die Fähigkeit eingeführt, Arbeit zu verrichten. Energie ist gegenüber der Arbeit jedoch die grundlegendere physikalische Größe. Moderne Konzeptionen stellen sie daher in das Zentrum des Unterrichts (z. B. Bader, 2001). Arbeit wird im Sinne des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik – neben der Wärme – als Austauschform von Energie behandelt (Kasten 8.3).

Man kann noch einen Schritt weitergehen und im Unterricht auf den Arbeitsbegriff ganz verzichten: Ein System verfügt über Energie. Diese Energie kann auf verschiedene Weise verändert werden: Ein System kann Energie thermisch und mechanisch (oder auch elektrisch oder chemisch) aufnehmen oder abgeben (statt „in Form von Wärme und Arbeit“).
$$\Delta {E_{{\rm{ges}}}} = \Delta {E_{{\rm{therm}}}} + \Delta {E_{{\rm{mech}}}} + \Delta {E_{{\rm{chem}}}} + \Delta {E_{{\rm{elekt}}}} + \ldots $$

Für den jeweiligen Austausch $\Delta E$ wird der entsprechende Term angegeben, z. B. $p\cdot\Delta V$ für den mechanischen Energieaustausch oder${\rm{ }}c\cdot\Delta T$ für den thermischen (c: spezifische Energiekapazität).

Damit lassen sich mehrere Probleme vermeiden:

  • Die mit körperlicher Anstrengung verbundene Schülervorstellung von ‚Arbeit‘ wird nicht aktiviert.

  • Das vielschichtig (als Phänomen und physikalischer Begriff) verwendete Wort „Wärme“ (Abschn.​ 7.​3) wird vermieden.

  • Es muss nicht zwischen Speicher- und Austauschformen von Energie unterschieden werden.

  • So unterschiedliche Energieaustauschprozesse, wie sie bei der mechanischen Volumenänderung eines Gases, der Übertragung elektrischer Energie oder chemischen Stoffwechselvorgängen vorliegen, müssen nicht mehr unter dem gemeinsamen Begriff der Arbeit zusammengefasst werden.

Dass man im Unterricht ohne den Begriff der Arbeit auskommt, zeigt sich im Schulbuch Metzler Physik (Grehn & Krause, 2007), in dem eine Größe Arbeit nicht eingeführt wird. Beim 1. Hauptsatz wird die Änderung der inneren Energie stattdessen durch den Austausch von „mechanischer Energie“ und „Wärmeenergie“ beschrieben.

8.3 Vorstellungen zu Wärmekraftmaschinen12

Berücksichtigt man Schülervorstellungen zu ‚Kraft‘ (Abschn.​ 4.​3) und ‚Wärme‘ (Abschn.​ 7.​3), erscheint die in Schul- und Fachbüchern übliche Bezeichnung „Wärmekraftmaschinen“ problematisch. Sie erweckt den Anschein, als ginge es um eine Umwandlung von ‚Wärme‘ in ‚Kraft‘, wobei ‚Kraft‘ im Sinne von Energie zu interpretieren ist. Eigentlich wäre „Energieumlademaschinen“ passender für physikalisch-technische Systeme, die der Bereitstellung mechanisch und elektrisch nutzbarer Energie unter Nutzung innerer Energie dienen. Die Umladung erfolgt vom Energieträger Kohle oder Gas auf Stromkreise oder Antriebswellen. Ein anderes Wort würde die Verständnisschwierigkeiten in diesem wichtigen Teilgebiet der Thermodynamik aber vermutlich nicht wesentlich abbauen. Es geht um das Verständnis des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Im Folgenden werden wichtige Schülervorstellungen, die hier eine Rolle spielen, zusammengestellt.

„Wärmezufuhr führt immer zu einer Temperaturerhöhung.“

Grundlagen dieser Vorstellung sind a) die Annahme einer direkten Kopplung zwischen der inneren Energie eines Systems und seiner Temperatur und b) die Annahme, dass bei einem thermischen Energietransfer ‚Wärme‘ als eine speicherbare Energieform zugeführt werde, die zu einer Temperaturerhöhung führen müsse. Es ist für Lernende dann schwer zu verstehen, dass sich bei Aggregatzustandsänderungen die Energie eines Systems ändert, obwohl die Temperatur gleich bleibt. Eine weitere Verständnisschwierigkeit ergibt sich bei isothermen Zustandsänderungen, bei denen eine thermische Energiezuführung mit der gleichzeitigen Abgabe von Energie auf mechanischem Wege (Arbeit) verbunden ist. Schließlich führt die Vorstellung auch zu der Annahme, dass ein Körper bzw. System ‚Wärme‘ (innere Energie) nur durch Kontakt mit einem Körper niedrigerer Temperatur abgeben kann. Damit wird eine Abgabe innerer Energie auf mechanischem Wege (Arbeit) ausgeklammert. Schülerinnen und Schüler interpretieren den ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Kasten 8.3) $\Delta U = W + Q$ in diesem Falle folgendermaßen: „Die innere Energie eines Systems kann zwar durch Arbeit erhöht, aber nur durch Wärmeabfluss verringert werden“.

„Mit Wärmeenergie kann man nur noch heizen.“

Schülerinnen und Schüler der Oberstufe (auch Studierende) gehen vor dem Thermodynamikunterricht häufig davon aus, dass ‚Wärme‘ (hier als Speicherform missverstanden; physikalisch der inneren Energie verwandt) nicht für mechanische Prozesse genutzt werden kann. ‚Wärme‘ wird als unnütze oder eben nur noch für Heizzwecke verwendbare Energieform betrachtet. Dass man ein Peltierelement durch Berühren mit der Hand dazu verwenden kann, einen kleinen Motor zum Laufen bringen kann, bewirkt beim folgenden Schüler großes Erstaunen: „Das wär ’nen Ding, wenn das läuft – … (leise zu sich selbst:) „Das glaub’ ich nicht. … Da kann man mithilfe von Temperaturdifferenzen … sofort Strom erzeugen, einfach nur durch unterschiedliches Material!“13

Eine mögliche Ursache der Vorstellung von ‚Wärme‘ (innerer Energie) als prinzipiell nutzloser Energie liegt darin, dass im Mechanikunterricht die bei Bewegungsvorgängen durch Reibung bewirkte Wärme fast immer als unerwünschte, aber unvermeidbare Erscheinung behandelt wird. Das verleiht der ‚Wärme‘ offenbar ein übersteigert negatives Image.

„Technische Ursachen begrenzen den Wirkungsgrad.“

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird von Schülerinnen und Schülern zwar in seiner qualitativen Grundaussage akzeptiert (z. B. in der problematischen Formulierung „Wärme kann durch eine periodisch arbeitende Maschine nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden.“), jedoch nicht zutreffend interpretiert. Teilweise kommt es bei Lernenden zu einer Überkompensation der Vorstellung, man könne mit ‚Wärmeenergie‘ nur heizen. Sie gehen dann davon aus „theoretisch“ sei ‚Wärme‘ vollständig in mechanische Energieformen umwandelbar und der Wirkungsgrad sei letztlich nur technisch begrenzt. Unvermeidbare Wärmeleitung, d. h. mangelnde Isolation, ist nach Schülermeinung der Grund für Wirkungsgrade kleiner als 1.

Schülerinnen und Schüler interessieren sich bei Wärmekraftmaschinen ohnehin mehr für die technischen, insbesondere die mechanischen Aspekte. Der Physikunterricht stellt dagegen die Kreisprozesse und den physikalischen Wirkungsgrad in den Vordergrund und behandelt technische Realisierungen, wie den Stirlingmotor, als technische Annäherungen an physikalische Prototypen von Prozessführungen. Jugendliche betrachten Wärmekraftmaschinen hingegen primär als technische Objekte. Sie machen Grenzen der Ingenieurskunst als Ursachen für Wirkungsgrade deutlich unter 1 verantwortlich und sind erstaunt, wenn sie erfahren, dass moderne Kohlekraftwerke mit thermischen Wirkungsgraden von ca. $45{\ }\% $ bereits dicht an dem maximalen Wert liegen, der physikalisch aufgrund der gegebenen Temperaturdifferenzen prinzipiell realisierbar ist.

„Kraftwerke muss man kühlen, weil sie sonst kaputt gehen.“

Die Fokussierung auf die Technik führt bei Wärmekraftwerken zu Fehlannahmen. Kühlsysteme sind aus Sicht von Schülerinnen und Schülern erforderlich, um eine Überhitzung der Anlagen und damit technische Defekte zu verhindern. Die aus physikalischer Sicht entscheidende Funktion der Erhöhung des Wirkungsgrads durch Absenken des unteren Temperaturniveaus wird nicht gesehen (Kasten 8.5). Es erscheint Lernenden beim Wasser-Dampf-Kreislauf eines Wärmekraftwerks geradezu widersinnig, dass man erst mit einem Kondensator den Wasserdampf herunterkühlt und das Wasser dann wieder unter Verbrennung von Kohle verdampft. Sinnvoller erscheint es ihnen, die ‚Restwärme‘ des Wassers im Kreislauf zu belassen und damit weniger Energie zu brauchen, um das Wasser wieder auf das obere Temperaturniveau zu bringen.

Kasten 8.5: Warum kühlt man Wärmekraftmaschinen?

Der Wirkungsgrad eines Prozesses ist definiert als das Verhältnis der für die beabsichtigte Nutzung gewonnenen Energie zu der in das System eingebrachten Energie: $\eta = {E_{{\rm{Nutzen}}}}/{E_{{\rm{Aufwand}}}}$ Bei einem Kohlekraftwerk wären das die elektrisch abgenommene Energie (von Wärme-Kraft-Kopplung, d. h. thermisch abgenommener Energie, soll hier abgesehen werden) und die mittels der Kohle (und des Sauerstoffs) chemisch eingebrachte Energie.

Bei periodisch arbeitenden Wärmekraftmaschinen, d. h. Prozessführungen, bei denen Druck und Volumen eines Arbeitsgases einen sich wiederholenden Zyklus durchlaufen (z. B. bei Dampfmaschinen oder Verbrennungsmotoren) gibt es eine theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad. Der in einem idealen Kreisprozess (Carnot-Prozess) maximal erreichbare Wert hängt dabei nur von der höchsten und der niedrigsten Temperatur ab, die das Gas im Zylinder während eines Zyklus erreicht: $\eta = 1 - {T_{{\rm{min}}}}/{T_{{\rm{max}}}}$ (T: Temperatur in Kelvin): Je höher die erreichte Höchsttemperatur und je niedriger die untere Temperatur, desto besser ist der Wirkungsgrad. Dieses Grundprinzip gilt trotz sehr unterschiedlicher Prozessführungen für alle Wärmekraftmaschinen, auch wenn die einfache Formel nur für die ideale Wärmekraftmaschine, d. h. ein Gedankenexperiment, gültig ist. Man kann also z. B. bei einem Stirlingmotor den Wirkungsgrad erhöhen, indem man die Temperatur der Luft im Zylinder während eines bestimmten Teils des Zyklus (Takt) auf einen höheren Wert bringt oder indem man sie durch eine bessere Kühlung in einem anderen Takt stärker absenkt (Abbildung) – am besten macht man beides.
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p-V-Diagramm zum Stirlingmotor (durchgezogene Linie: ideal; gestrichelte Linie: real)

Der physikalische Sinn der Kühlung besteht also in der Verbesserung des Wirkungsgrads. Qualitativ kann man diesen Effekt beim Stirlingmotor sehr vereinfacht folgendermaßen verstehen: Ein Zyklus besteht aus Expandieren, Kühlen, Komprimieren und Erhitzen der Luft; dann wieder Expandieren, Kühlen usw. Beim Expandieren wird Nutzenergie mechanisch abgegeben: Die warme Luft drückt den Kolben nach außen und treibt damit z. B. ein Schwungrad an. Für das Komprimieren muss man Energie mechanisch zuführen – der Kolben muss die Luft ja wieder zusammendrücken, damit der nächste Zyklus ablaufen kann. Nun ist es wesentlich einfacher, kalte Luft zu komprimieren als warme, denn der Druck im Kolben ist geringer. Je niedriger die Temperatur, desto weniger Energie wird benötigt. Dadurch dass man die Luft vor dem und beim Komprimieren kühlt, steigt der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses. Diese Grundidee gilt auch für kompliziertere Prozesse, wie sie in bei Verbrennungsmotoren oder Dampfturbinen vorliegen.

8.4 Unterrichtskonzeptionen

Energieerhaltung und -entwertung

  • Schlichting, H.-J. & Backhaus, U. (1984). Energieverbrauch und Energieentwertung. Der Physikunterricht(3), 24–40.

  • Schlichting, H.-J. & Backhaus, U. (1987). Energieentwertung und der Antrieb von Vorgängen. Naturwissenschaften im Unterricht – Physik/Chemie, 35(24), 15–24.

Schlichting und Backhaus (1984, 1987) haben einen Unterrichtsgang für die Sekundarstufe I entwickelt, der auf der Überzeugung beruht, dass man den Begriff Energie nicht verständlich machen kann, ohne auch das Prinzip der Energieentwertung zu behandeln (Kasten 8.2). Die physikalischen Grundlagen werden in Schlichting (1983) erläutert.

Energie mengenartig

  • Herrmann, F. (1981). Neue Physik. Das Energiebuch. Hannover: Schroedel.

  • Haas, K., Herrmann, F., Laukenmann, M., Mingirulli, L., Morawietz, P. & Schmälze, P. (1995). Der Karlsruher Physikkurs. Ein Lehrbuch für die Sekundarstufe I, Teil1, Energie, Impuls, Entropie. Karlsruhe: Universität Karlsruhe, Abt. Didaktik der Physik.

„Das Energiebuch“ für den Anfangsunterricht in der Sekundarstufe I gibt eine anschauliche Vorstellung von Energieströmen, Energieträgern und Energieumladeprozessen zwischen Energieträgern. Energie wird ein mengenartiger, quasi-stofflicher Charakter zugemessen. Eine wichtige Rolle spielen dabei Energieflussdiagramme. Dieser Ansatz des „Karlsruher Physikkurses“ wird in Haas et al. (1995) bis zur Einführung des Entropiebegriffs fortgeführt. Kesidou und Duit (1991) konnten Vorteile in den Lernwirkungen dieses Ansatzes gegenüber einem herkömmlichen Unterricht zeigen, allerdings nicht hinsichtlich des zweiten Hauptsatzes. Starauschek (2001) wies nach, dass die Einführung von Wärme als fließende, mengenartige Größe höhere Lernwirkungen gegenüber traditionellem Unterricht in der Wärmelehre hat, z. B. bei der Beschreibung von Temperaturausgleichsvorgängen und bei der Wärmeempfindung.

Energie vor Arbeit

  • Bader, M. (2001). Vergleichende Untersuchung eines neuen Lehrgangs „Einführung in die mechanische Energie und Wärmelehre“ (Dissertation). München: Ludwig-Maximilians-Universität, Fakultät für Physik. https://​edoc.​ub.​uni-muenchen.​de/​191/​1/​Bader_​Martin.​pdf; (Zugriff 30. 12. 2017).

  • Bader, M. & Wiesner, H. (1999). Einführung in die mechanische Energie und Wärmelehre. Das „Münchner Unterrichtskonzept“. Physik in der Schule(6), 363–367.

Bader hat ein Unterrichtskonzept entwickelt, bei dem im Mechanikunterricht die klassischen Inhalte in einer anderen Reihenfolge unterrichtet werden. Anhand verschiedener periodischer mechanischer Abläufe wird zuerst die Annahme begründet, dass es in abgeschlossenen mechanischen Systemen eine Größe gibt, die während der Bewegung konstant bleibt, genannt „Gesamtenergie“. Danach werden mechanische Energieformen eingeführt und Energieumwandlungen qualitativ besprochen. Nach der Festlegung der Gleichung für die potenzielle Energie werden Gleichungen für andere Energieformen mithilfe von Experimenten aus der Energieerhaltung hergeleitet. Die Betrachtung nicht abgeschlossener mechanischer Systeme führt zur Beschreibung der Änderung der Gesamtenergie des Systems, wozu der Begriff „Arbeit“ eingeführt wird. Schließlich werden Kraftwandler unter dem Aspekt Energie betrachtet. Damit wurde die klassische Reihenfolge umgedreht, bei der die Goldene Regel der Mechanik bei Kraftwandlern die Definition der Arbeit vorbereitet, dann Energie als gespeicherte Arbeit eingeführt wird, Energieumwandlungen betrachtet werden und die Energieerhaltung erst am Ende steht.

Bader konnte zeigen, dass eine nach diesem Konzept unterrichtete Versuchsgruppe bei Aufgaben signifikant besser als eine Kontrollgruppe war, die nach dem traditionellen Vorgehen unterrichtet wurde.

8.5 Testinstrumente

Energy Concept Inventory (ECI)

Nach dem Muster des Force Concept Inventory (FCI, Abschn.​ 4.​5) haben Swackhamer, Dukerich und Hestenes (2005) einen Test zu Vorstellungen über Energie und Wärme ins Netz gestellt. Er umfasst 35 Multiple-Choice-Items. Die Items bieten Anregungen für eigene Aufgabenentwicklungen. Publikationen zum ECI liegen nicht vor.

Thermodynamikaufgaben

Einhaus (2007) hat auf Grundlage von Aufgaben aus der Literatur (insbesondere Yeo & Zadnik, 2001) und mit Eigenentwicklungen einen umfangreichen Test zum Verständnis der Wärmelehre und Thermodynamik (Itemsets T.1 bis T.6) zusammengestellt. Überwiegend handelt es sich um einen Fachwissenstest. Er umfasst aber auch Aufgaben, die sich auf Schülervorstellungen beziehen, z. B. zu Wirkungsgraden und der Kühlung von Wärmekraftmaschinen.

Aufgaben für Unterrichtsgespräche

Starauschek (2010) hat zwölf Aufgaben zusammengestellt, die als Anlässe für Lehrer-Schüler-Gespräche im Physikunterricht über Grundvorstellungen zu Wärme, Energie, Energiefluss und Temperatur geeignet sind. Darin werden auch Vorstellungen zu Teilchen und Wärme aufgegriffen, die in Kap.​ 7 behandelt sind.

8.6 Literatur zur Vertiefung

  • Chen, R. F., Eisenkraft, A., Fortus, D., Krajcik, J., Neumann, K., Nordine, J. C. & Scheff, A. (2014). Teaching and Learning of Energy in K – 12 Education. Cham: Springer.

Der Sammelband gibt in 20 Beiträgen einen breiten Überblick über den Forschungsstand und Unterrichtsansätze zum Thema Energie. Zu den behandelten Aspekten zählen Schülervorstellungen, Unterrichtsziele, fachliche Fragen der Elementarisierung und Unterrichtsvorschläge.

  • Duit, R. (1986). Der Energiebegriff im Physikunterricht. Kiel: IPN

Die Habilitationsschrift von Duit gilt als Standardwerk zum Energiebegriff. Ausgehend von einer umfassenden fachlichen Analyse des Konzepts behandelt das Buch angemessene Konzeptualisierungen für den Unterricht, Studien zu Schülervorstellungen und unterrichtliche Konsequenzen.

  • Müller, R. (2014). Thermodynamik. Vom Tautropfen zum Solarkraftwerk. Berlin: de Gruyter.

Das Buch bietet eine für Lehrkräfte und Lehramtsstudierende besondere gut geeignete fachliche Darstellung der Thermodynamik, in der viele Themen, die im vorliegenden Kapitel nur kurz angerissenen werden konnten, vertieft dargestellt sind.

8.7 Übungen

Übung 8.1 greift die Idee einer Aufgabe aus Einhaus (2007, S. 324) auf, die sich auf die Kraft-Wärme-Kopplung bei einem Wärmekraftwerk bezieht. Auch die Übung 8.2 orientiert sich an einer Aufgabe aus Einhaus (2007, S. 290). Übung 8.3 ist für das vorliegende Buch neu entwickelt worden.

Übung 8.1

Eine Aufgabe für Schülerinnen und Schüler lautet:

Die Firma HeizTec bietet für Einfamilienhäuser kompakte Blockheizkraftanlagen an. Basis ist ein mit Erdgas beheizter Stirlingmotor mit einem angekoppelten elektrischen Generator. Damit gewinnt man elektrische Energie. Die Abwärme des Motors wird für die Heizung des Hauses genutzt.

Herr Rath will bei der Erneuerung seiner Heizungsanlage eine solche Einheit einbauen. Sein Nachbar rät ihm: „Ich habe gehört, man erreicht eine bessere Energienutzung, wenn man bei einer solchen Anlage bei den Rücklaufleitungen von den Heizkörpern zum Heizungskeller die Wärmeisolation entfernt“. Herr Rath schüttelt den Kopf: „Das ist Unsinn! Im Gegenteil: Ich werde bei der Gelegenheit alle Vor- und Rücklaufleitungen im Haus dicker ummanteln“.

Welche der folgenden Aussagen trifft bzw. treffen zu? Kreuze an!
  • Wenn man den Rücklauf isoliert, steigt der Wirkungsgrad der Anlage.

    • ○ stimmt ○ stimmt nicht

  • Um einen besseren Wirkungsgrad zu bekommen, müsste man auch die Isolierung bei den Leitungen aus dem Keller zu den Heizkörpern entfernen.

    • ○ stimmt ○ stimmt nicht

  • Eine dickere Ummantelung steigert den Wirkungsgrad, weil man dann Erdgas spart.

    • ○ stimmt ○ stimmt nicht

Übungsaufgabe:

Welche Schülerantworten kann man erwarten? Auf welcher Vorstellung beruhen die Fehler?

Übung 8.2

Eine Aufgabe für Schülerinnen und Schüler lautet:

Im Unterricht wird ein Text über eine der ersten Dampfmaschinen des Schotten James Watt gelesen. Es heißt dort, dass sie einen sehr schlechten Wirkungsgrad hatte. Man habe sehr viel Kohle benötigt, damit diese Maschine ihre Arbeit verrichten konnte.

Darüber sprechen Lisa, Lutz und Rike. Wer von ihnen hat Recht? Nehmen Sie zu den drei Aussagen in einigen Sätzen Stellung!

Lisa:

„Moderne Dampfmaschinen brauchen viel weniger Kohle, um die gleiche Arbeit zu leisten wie die alten.“

Lutz:

„Wenn man eine Dampfmaschine bauen könnte, die keine Verluste durch Reibung und sowas hat, könnte man einen Wirkungsgrad von praktisch 100 Prozent erreichen.

Rike:

„Reale Dampfmaschinen können nie einen Wirkungsgrad von 100 Prozent haben, aber rein theoretisch – so in einem von diesen Gedankenexperimenten – wäre das möglich.“

Übungsaufgabe:

Welche Aussagen kann man in den Stellungnahmen der Schüler erwarten? Auf welchen Vorstellungen beruhen sie?

Übung 8.3

Eine Schülerin beschreibt im Folgenden die Bewegung eines Skateboardfahrers in einer Halfpipe (Abbildung). In ihrer 9. Realschulklasse waren vorher Energieformen, Energieflüsse und Energieerhaltung an Beispielen aus der Mechanik behandelt worden.
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Skateboardfahrer in einer Halfpipe

Mara:

Also, erstmal fährt er ja runter, d. h., er wird schneller, dadurch bekommt er Energie. Und dann rollt er auf der anderen Seite wieder hoch – mit dem Schwung, den er hat.

Interviewer:

Und was ist mit der Energie?

Mara:

Der Schwung wird aufgebraucht.

Interviewer:

Heißt das, die Energie ist weg?

Mara:

Die Bewegungsenergie schon – irgendwie.

Interviewer:

Woher kommt denn die Energie beim Herunterfahren? Du hast gesagt, er bekommt dabei Energie.

Mara:

Er wird ja angezogen – von der Erde. Die Erde zieht ihn an und dadurch wird er schneller und bekommt Energie.

Interviewer:

Das heißt, die Energie kommt von der Erde?

Mara (guckt skeptisch):

Von der Erde?

Interviewer:

Irgendwo muss sie doch herkommen.

Mara:

Ja, gut.

Etwas später geht es um die Frage, wo die Energie bleibt, wenn der Skateboarder in der Halfpipe ausrollt.

Interviewer:

Irgendwann bleibt der Skateboarder stehen. Wo ist dann die Energie geblieben?

Mara:

Die ist dann weg.

Interviewer:

Aber wo ist sie hin? Es heißt doch, Energie bleibt erhalten.

Mara:

Es gibt ja immer Reibung. Und da geht die Energie hin.

Interviewer:

In die Reibung? Wie soll ich mir das vorstellen?

Mara:

Ja, als Reibungsverlust. Er kommt ja auch vorher immer schon nicht mehr ganz so hoch.

Interviewer:

Welche Energieform ist denn bei der Reibung im Spiel?

Mara:

Im Unterricht haben wir gesagt, dass das nun zu Wärme geworden ist.

Übungsaufgabe:

Welche Schülervorstellungen werden im Text deutlich? Erläutern Sie mit konkretem Bezug zu Aussagen von Mara!