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Energieumwandlung – Energiewandler, Wert der Energie und Wirkungsgrad 08:59 min

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Transkript Energieumwandlung – Energiewandler, Wert der Energie und Wirkungsgrad

Hallo und willkommen zu meinem Lernvideo im Fach Physik. Hast du dich eigentlich schonmal gefragt, was genau passiert, wenn man eine Lampe einschaltet? Oder wie man ein Auto mit Benzin bewegen kann? Und was hat die Energie damit zu tun? Bei all diesen Geräten wird eine Energieform in eine andere Energieform umgewandelt. Heute wollen wir uns dem Thema der Energieumwandlung widmen. Dazu schauen wir uns noch einmal die verschiedenen Energieformen an, um dann zu sehen wie diese mithilfe von Energiewandlern ineinander umgewandelt werden können. Um zu verstehen, wie effizient ein Energiewandler ist, müssen wir erst etwas über den Wert der Energie lernen. Dann wird klar werden, was der Wirkungsgrad über einen Energiewandler aussagt. Zur Wiederholung schauen wir uns doch noch einmal die verschiedenen Energieformen an. Die potentielle Energie nennt man auch Lageenergie oder Spannenergie. Wenn man zum Beispiel einen Ball auf einen Tisch legt, hat er potentielle Energie. Aber auch eine gespannte Feder hat potentielle Energie. Kinetische Energie nennt man auch Bewegungsenergie. Jeder Körper der sich bewegt hat kinetische Energie, zum Beispiel ein Auto, das über die Autobahn rast. Die thermische Energie wird auch als Wärmeenergie bezeichnet. Die thermische Energie des Wassers in einer Wärmeflasche wird als Wärme an dich und dein Bett abgegeben. Elektrische Energie wird benötigt, um zum Beispiel deinen Computer zum Laufen zu bringen. Chemische Energie ist die Energie, die in Stoffen gespeichert ist. Erdöl oder Holz zum Beispiel haben chemische Energie. Wenn du diese Stoffe verbrennst, kannst du diese Energie nutzen. Auch Licht ist eine Form von Energie, man nennt sie auch Strahlungsenergie. Durch die Strahlungsenergie, die von der Sonne die Erde erreicht, kann hier Leben entstehen. Was passiert nun also, wenn man den Schalter einer Lampe einschaltet? Die Lampe fängt an zu leuchten. Aber wie? Hier wird Energie umgewandelt. Energieumwandlungen können mithilfe von Energieflussdiagrammen dargestellt werden. Für die Glühbirne sieht das folgendermaßen aus: Die Glühbirne wird mit elektrischer Energie versorgt und wandelt diese um in Licht, also Strahlungsenergie und thermische Energie. Die Glühbirne leuchtet ja nicht nur, sie wird auch warm. Bei einem Verbrennungsmotor, wie er in fast jedem Auto vorhanden ist, sieht das Ganze etwas anders aus. Hier wird die chemische Energie des Kraftstoffs beim Verbrennen im Motor in kinetische Energie umgewandelt. So kann der Motor das Auto zum Bewegen bringen. Aber es entsteht auch thermische Energie, so ein Motor kann ja ganz schön heiß werden und benötigt sogar einen Kühler, damit er nicht überhitzt. Die Glühlampe und der Motor sind verantwortlich für diese Energieumwandlungen, man bezeichnet sie als Energiewandler. Energiewandler sind Geräte, Gegenstände oder Lebewesen, die verschiedene Energieformen ineinander umwandeln. Welche Energieform in welche umgewandelt wird, hängt von dem verwendeten Energiewandler ab. Zum Beispiel wandelt das Glühwürmchen die chemische Energie seiner Nahrung in Bewegungsenergie und Strahlungsenergie um. Und die Weihnachtspyramide nutzt die thermische Energie der Kerzen, um sich zu drehen. Eine Solarzelle nutzt die Strahlungsenergie der Sonne und wandelt sie in elektrische Energie um. Es gibt unzählige verschiedene Energiewandler, jedoch kann nicht jede Energieform in jede beliebige umgewandelt werden. Aber warum müssen wir Energie eigentlich umwandeln? Weil jede Energieform einen bestimmten Nutzen für uns bieten kann. Wenn uns kalt ist, hilft uns keine potentielle Energie, aber thermische schon. Elektrische Energie an sich bringt uns keinen großen Nutzen, aber sie ist so praktisch, weil sie sich in verschiedenste Energieformen umwandeln lässt und so für uns nutzbar wird. Kann man Energie eigentlich erzeugen? Leider nein, wir können sie nur umwandeln. Kann Energie dann verloren gehen? Genauso wenig, wie man Energie erzeugen kann, kann Energie verloren gehen. Die Summe aller Energieformen bleibt immer gleich, das nennt man Energieerhaltung. Aber nicht jede Energieform hat den gleichen Wert für uns Menschen. Das liegt daran, dass sich verschiedene Energieformen nicht gleich gut nutzen beziehungsweise umwandeln lassen. Wir haben schon gehört, dass sich elektrische Energie sehr gut in andere Energieformen umwandeln lässt. Das Gleiche gilt für mechanische Energie, also kinetische und potentielle Energie. Sie lässt sich ebenfalls sehr leicht in andere Energieformen umwandeln. Elektrische und mechanische Energie haben daher einen höheren Wert für uns als die anderen Energieformen. Thermische Energie hat den geringsten Wert für uns. Sie kann nur umgewandelt werden, wenn sie von einem Körper mit hoher Temperatur zu einem Körper mit kalter Temperatur fließt, und auch dann nur unvollständig. Ist die thermische Energie erst einmal in der Umgebung so ist sie für uns wertlos, da es keinen kälteren Körper gibt, zu dem sie fließen könnte. Die Wärme, die zum Beispiel von der Glühbirne oder dem Automotor an die Umgebung abgegeben wird, kann von uns also nicht weiter genutzt beziehungsweise umgewandelt werden. Man spricht von Energieentwertung. Leider treten bei allen Energieumwandlungen Energieentwertungen auf durch zum Beispiel Reibung, die Erwärmung von elektrischen Leitungen oder das Entstehen von heißen Abgasen. Um festzustellen, wie groß der Anteil an gewollten und ungewollten Energieformen bei einer Umwandlung ist, gibt es den Wirkungsgrad. Er definiert sich durch den Quotienten aus Nutzen und Aufwand. Diese Glühlampe hat zum Beispiel ein Wirkungsgrad von fünf Prozent, das heißt, dass aus 100 Prozent zugeführter elektrischer Energie fünf Prozent der Energie in Licht und etwa 95 Prozent der Energie in Wärme umgewandelt wird. Die Menge an zugeführter elektrischer Energie ist hier der Aufwand und die erzeugte Strahlungsenergie der Nutzen. Übrigens hat eine Energiesparlampe einen Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent. Damit liegt er zwar sehr viel höher als bei der herkömmlichen Glühlampe, allerdings werden immer noch 75 Prozent der Energie als Wärme an die Umgebung abgegeben. Kraftwerke sind auch Energiewandler. Ihr Ziel ist es, andere Energieformen in elektrische Energie umzuwandeln. Ein normales Kohlekraftwerk hat ein Wirkungsgrad zwischen 25 und 50 Prozent. Dabei geht von der eingesetzten chemischen Energie der Kohle also 50 bis 75 Prozent der Energie als Wärme verloren. Der Rest wird in elektrische Energie umgewandelt. Diese Energie macht man in einem sogenannten Blockheizkraftwerk weiter nutzbar und leitet die Abwärme direkt an die umliegenden Haushalte, um sie zu beheizen. Das nennt man Fernwärme. Damit lässt sich der Wirkungsgrad auf etwa 80 bis 90 Prozent steigern. Wir haben also festgestellt, dass man eine Energieform in eine Andere mithilfe von Energiewandlern umwandeln kann, je nachdem, welche Energieform man gerade benötigt. Dabei kann man Energie weder erzeugen und es geht auch keine Energie verloren, es gilt der Energieerhaltungssatz. Doch haben die unterschiedlichen Energieformen einen unterschiedlichen Wert für uns, da sie nicht alle beliebig nutzbar gemacht werden können. Wird Energie als Wärme an die Umgebung abgegeben, so ist sie wertlos, sie kann in keine anderen Energieformen umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad gibt an, wie groß der Anteil an nutzbarer Energie ist, die von einem Energiewandler umgewandelt wird. Und das war es auch schon für heute. Bis bald, euer Alex.

19 Kommentare
  1. also ja was soll man da noch sagen echt gut

    Von Antje Motzkus, vor 7 Monaten
  2. gutes Video

    Von Ifinkler, vor 11 Monaten
  3. Sehr gut erklärt!Danke!

    Von Amelie K., vor 11 Monaten
  4. Gutes Video aber warum kann man die Übungen nicht auf dem Handy machen?!

    Von Verena E., vor fast 2 Jahren
  5. ★ gutes Video ☆

    Von Hey ʕ•ᴥ•ʔ, vor mehr als 2 Jahren
  1. SUPA

    Von Ich Bin Lu No, vor mehr als 2 Jahren
  2. schönes Video :) gute Erklärung und leichtes Verständnis... Perfekt :3

    Von Ka Tiedke, vor fast 3 Jahren
  3. :) danke

    Von Seyda A., vor etwa 3 Jahren
  4. Hi, eigentlich erklärt es dieses viedeo echt gut. ich kann es nur empfehlen... :)

    Von Eulentrio, vor mehr als 3 Jahren
  5. Sehr sehr gut erklärt!

    Von Deleted User 310139, vor fast 4 Jahren
  6. Geiles Video!! Und der kleine Test danch ist auch gut zu Vorbereiten auf Arbeiten!

    Von D Leiensetter, vor fast 4 Jahren
  7. Super

    Von Paul J., vor fast 5 Jahren
  8. @Cerenalsulu: Das freut uns alle in der Redaktion!

    Von Nikolai P., vor fast 6 Jahren
  9. @nikolaiphilipp ja die arbeit lief gut :)

    Von Cerenalsulu, vor fast 6 Jahren
  10. @Cerenalsulu: Kein Problem. Nur für die Zukunft ist das bestimmt die bessere Lösung! Ich hoffe die Arbeit lief gut!?!

    Von Nikolai P., vor fast 6 Jahren
  11. tut mir leid @nikolaiphilipp aber ich habe heute eine physik arbeit geschrieben und so eine aufgabe kam vor , dank @neshny hab ich es geschafft die aufgabe zu lösen sonst benutze ich das fach chat aber ich kam spät nach hause und dann war es schon offline

    Von Cerenalsulu, vor fast 6 Jahren
  12. @Cerenalsulu: Solche fragen stellst du am besten im Fach-Chat. Mo-Fr 17-19 Uhr. Dort wird dir mit Sicherheit geholfen! Das ist besser als deine Aufgaben unter 10 verschiedene Videos zu posten. Die Kommentarfunktion ist nicht für deine Hausaufgaben gedacht sondern soll für Diskussionen rund um das Video genutzt werden. Lg

    Von Nikolai P., vor fast 6 Jahren
  13. hallo :)) ich habe eine frage und zwar : wenn an wolkenlosen sommertagen die sonne zehn stunden lang scheint , dann ist insgesamt eine energie von 18MJ pro Quadrat meter eingestrahlt worden. um wie viel erhöht sich dadurch die temperatur im schwimmbecken ( Wassertiefe 2,5m) und im Planschbecken ( wassertiefe 0,8 m)?

    Von Cerenalsulu, vor fast 6 Jahren
  14. zu der wert der energie es gibt nen energie erhaltungssatz

    die energie im universum ist immer konstant
    oder
    energie kann nicht erzeugt oder verloren gehen sie kann nur umgewandelt werden

    Von Carsten W., vor fast 6 Jahren
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Energieumwandlung – Energiewandler, Wert der Energie und Wirkungsgrad Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energieumwandlung – Energiewandler, Wert der Energie und Wirkungsgrad kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme, welche Energieform zu welchem Bild passt.

    Tipps

    Die potentielle Energie wird auch Höhen- oder Lageenergie genannt.

    Die kinetische Energie ist die Bewegungsenergie.

    Die chemische Energie ist die Energie, die in Form von chemischen Verbindungen in einem Stoff gespeichert ist.

    Lösung

    Ein Körper hat immer dann eine potentielle Energie, wenn es sich in einer gewissen Höhe befindet wie z.B. ein Ball auf einem Tisch. Läge er auf dem Boden, so hätte er keine potentielle Energie.

    Ein Körper hat immer dann eine kinetische Energie, wenn er in Bewegung ist wie z.B. ein fahrendes Auto. Ein Auto, welches steht, hat somit keine kinetische Energie.

    In der Batterie ist elektrische Energie gespeichert. Elektrische Energie ist immer dann im Spiel, wenn mittels eines Stromflusses Energie übertragen wird. Sie kann in elektrische Feldern gespeichert sein (Batterie).

    Chemische Energie bezeichnet man Energie, die in Form einer chemischen Verbindung in einem Stoff enthalten ist wie z.B. Holz. Durch eine chemische Reaktion (z.B. Verbrennung) kann diese Energie umgewandelt werden. Ein weiteres Beispiel für einen Träger von chemischer Energie sind Lebensmittel.

    Thermische Energie tritt überall auf, wo es eine Wärmeentwicklung gibt wie z.B. bei Feuer.

    Strahlungsenergie ist die Energie, die durch das Sonnenlicht auf die Erde gelangt. Diese Energie äußert sich z.B. im Pflanzenwachstum. Das passende Bild ist also die Sonne.

  • Stelle ein Energieflussdiagramm auf.

    Tipps

    Die Solarzelle nutzt das Licht der Sonne.

    Bei einer Energieumwandlung entsteht auch immer Wärme.

    Lösung

    Die Solarzelle und das Auto sind zwei Energiewandler.

    Das Auto lässt in seinen Zylindern Benzin explodieren, um daraus kinetische Energie zu gewinnen. Dabei wird auch viel Wärme frei.

    Der Motor wandelt chemische Energie (die in dem Treibstoff, z.B. Benzin gespeichert ist) in kinetische Energie um.

    Die Solarzelle ist sehr modern und nutzt Licht, um elektrischen Strom bereitzustellen. Aber auch hier wird Wärme frei.

    Die Solarzelle wandelt Strahlungsenergie in elektrische Energie um. Dabei ensteht Wärme, also thermische Energie.

  • Beschreibe die Eigenschaften der Energie.

    Tipps

    Überlege dir den Unterschied zwischen Energieerhaltung und Energieentwertung.

    Lösung

    Die Energieerhaltung ist ein sehr wichtiges Phänomen, welches man sich merken sollte. Energie kann nicht einfach verschwinden oder verloren gehen, Energie bleibt immer erhalten. Bei Energieumwandlungen können wir niemals die komplette Energie in eine andere überführen. Wir machen dabei immer Verluste. Diese Verluste bedeuten aber nicht, dass hier Energie einfach verschwunden ist. Die Verluste sind nämlich auch Energie, die meistens in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Es findet also bei jeder Energieumwandlung eine Energieentwertung statt.

    Eine Energieumwandlung, bei der tatsächlich keine Verluste gemacht werden, ist noch nicht entdeckt worden (Perpetuum Mobile). Wissenschaftler sind aber stets bemüht, Energieumwandler zu entwickeln, die möglichst wenige Verluste haben.

  • Berechne den Wirkungsgrad einer Glühlampe.

    Tipps

    Die Formel für den Wirkungsgrad ist:

    Lösung

    Die Formel für den Wirkungsgrad ist: $\eta=\frac {P_{Nutzen}} {P_{Aufwand}}$ P ist dabei die Leistung. Die Aufwandsleistung (oder Eingangsleistung) ist die Leistung, die in den Verbrauch hineinfließt. In unserem Fall sind das die 60W. Die Nutzleistung (oder Ausgangsleistung) ist die Leistung, mit der das Licht tatsächlich strahlt. Also dass, was von den 60W für unseren tatsächlichen Zweck übrig bleibt. Das sind in dem Fall die 4,2W. Nun berechnen wir den Wirkungsgrad $\eta$: $\eta=\frac {P_{Nutzen}} {P_{Aufwand}}=\frac {4,2W}{60W}=0,07=7\%$

  • Beschreibe den Ablauf einer Energieumwandlung beim Ottomotor.

    Tipps

    Welche Energie wird hier in welche umgewandelt?

    Lösung

    Bei dem Ottomotor wird chemische Energie in kinetische (und thermische) umgewandelt. Das Benzin wird in den Motor geleitet und dort verbrannt. Dies hat eine Wärmeausdehnung zur Folge, welche einen Kolben aus dem Verbrennungsraum drückt. Der Kolben ist an eine Antriebswelle angeschlossen, die sich immer dann bewegt, wenn der Kolben es auch tut. Das Gas verrichtet also mechanische Arbeit und kühlt sich dann wieder ab; der Kolben wird zurück in den Verbrennungsraum geschoben. Nun wird wieder ein bisschen Gas verbrannt und das ganze geht von vorne los. Der Kolben vollführt also eine Auf-und Abbewegung und treibt damit durchgehend die Antriebswelle an. Die Räder sind mit der Antriebswelle verbunden und fangen an sich zu drehen. So wurde also chemische Energie in kinetische Energie umgewandelt. Der Ottomotor ist noch heute Bestandteil von vielen Autos.

  • Bestimme, welche Energieformen der Energiewandler umwandelt.

    Tipps

    In einem Kohlekraftwerk wird Kohle verbrannt. Kohlekraftwerke sorgen für die Erzeugung von Strom.

    In einem Wasserkraftwerk werden Turbinen in Flüssen angebracht. Auch sie erzeugen Strom.

    Lösung

    Auch ein Mensch kann eine Energieumwandler sein wie jedes Lebewesen. Es nimmt durch die Nahrung chemische Energie auf und gibt sie durch kinetische Energie oder thermische Energie wieder ab. Wenn einem also kalt ist, hilft es etwas zu essen.

    Eine Bügeleisen wandelt elektrische Energie in thermische Energie um.

    Ein Kohlekraftwerk wandelt chemische Energie (die in der Kohle enthalten ist) in elektrische Energie um. Kohlekraftwerke haben in Deutschland einen Anteil von knapp 45% der gesamten Stromerzeugung.

    Eine Lampe wandelt elektrische Energie ins Strahlungsenergie um.

    Ein Wasserkraftwerk wandelt die kinetische Energie des Wassers in elektrische Energie um. In Flüssen fließt das Wasser immer Richtung Meer. Diese Bewegung kann zum Antrieb von Turbinen benutzen.