Physik 8 · Mechanik

Energieumwandlung und Wirkungsgrad

Energie geht nicht verloren, sie wird nur umgewandelt. Ein Motor wandelt aber nicht alles in die gewünschte Form um, ein Teil wird zu Wärme, die niemand nutzen kann. Der Wirkungsgrad η = E_nutzE_zu sagt, welcher Anteil genutzt wird. Laufen mehrere Umwandlungen nacheinander, muss man die Wirkungsgrade multiplizieren.

So gehst du vor

1Wähle eine fertige Kette oder eine Energiequelle und füge Stufe für Stufe Wandler hinzu. Angeboten werden nur Wandler, die zur Energieform passen.
2Das Band zeigt die Energie, die weitergeht. Die roten Pfeile zeigen, was bei jeder Stufe als Wärme abfließt.
3Ziehe einen orangen Griff oder nimm die Regler, um einen Wirkungsgrad zu ändern. Die Rechnung läuft mit.

Gesamtwirkungsgrad

η = 0,40 · 0,94 · 0,05 = 0,019 = 1,9 %

Von 100 J kommen 1,9 J als Energieform „Licht“ an.

Fertige Ketten

Energiequelle

Nächste Stufe

Für Licht gibt es hier keinen weiteren Wandler. Die Kette ist fertig.

Zugeführte Energie E_zu

100 J

Stufen der Kette

Kohlekraftwerk

40 %

chemisch → elektrisch: 100 J hinein, 40 J heraus

Stromnetz

94 %

elektrisch → elektrisch: 40 J hinein, 38 J heraus

Glühlampe

5 %

elektrisch → Licht: 38 J hinein, 1,9 J heraus

Die Vorgaben sind typische Größenordnungen. Echte Anlagen weichen davon ab.

Ein Elektromotor hebt eine Last

Masse m

1,0 kg

Hubhöhe h

1,0 m

Spannung U

12,0 V

Stromstärke I

0,5 A

Hubzeit t

3,0 s

Rechnung

Lageenergie: E_nutz = m · g · h = 1,0 kg · 9,81 N je kg · 1,0 m = 9,81 J

Elektrische Energie: E_zu = U · I · t = 12,0 V · 0,5 A · 3,0 s = 18,00 J

Leistung: P_zu = 6,00 W, P_nutz = E_nutzt = 3,27 W

Wirkungsgrad: η = 9,81 J18,00 J = 54,5 %

Aufträge

Wähle „Glühlampe mit Kohlestrom“. Berechne den Gesamtwirkungsgrad selbst und prüfe mit der Anzeige. Wie viel Joule werden aus 100 J zu Licht? Wo bleibt der Rest?
Tausche in dieser Kette die Glühlampe gegen eine LED-Lampe. Um welchen Faktor verbessert sich die Kette? An welcher Stufe lohnt sich eine Verbesserung am meisten?
Ändert sich der Gesamtwirkungsgrad, wenn zwei Stufen ihre Plätze tauschen? Begründe mit der Rechnung.
Vergleiche „Benzinauto“ und „Elektroauto mit Solarstrom“. Bilde für das Elektroauto auch die Kette ab der Steckdose: Akku, Elektromotor, Getriebe. Warum sagt der Gesamtwert ab der Sonne wenig darüber aus, welches Auto besser ist?
Wähle „Pumpspeicher“. Wie viel Energie geht bei jedem Speichern verloren? Warum baut man solche Anlagen trotzdem?
Baue eine Kette, die mit „Nahrung“ beginnt und mit Licht endet. Welche Energieformen kommen vor?
Ein Motor mit 12 V und 0,5 A hebt in 3 s eine Masse von 1 kg um 1 m. Bestimme E_zu, E_nutz, die Leistungen und η. Prüfe im Rechner.
Stelle im Rechner die Hubzeit so klein ein, dass η über 100 % liegt. Warum kann das nicht sein? Welche Hubzeit braucht der Motor mindestens, wenn er 100 % hätte?

Reibung im Flaschenzug als Beispiel für einen Wirkungsgrad: Flaschenzug. Elektrische Energie und ihre Kosten: Leistung, Stromkosten und Sicherung.