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Wirkungsgrad 07:00 min

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Transkript Wirkungsgrad

Hallo und herzlich Willkommen. Heute beschäftigen wir uns damit, was man unter dem Begriff Wirkungsgrad versteht. Um zu verstehen, was der Wirkungsgrad beschreibt, werden wir zuerst noch einmal kurz wiederholen, was ein Energiewandler ist. Danach werden wir den Wirkungsgrad einführen und genauer betrachten, was er uns sagt. Und zum Schluss werden wir sehen, wo wir Energiewandler in unserem Alltag nutzen und welche Wirkungsgrade sie haben. Zuerst werden wir einmal schauen, wie wir uns die Energie zunutze machen können. Energie kann man auch als gespeicherte Arbeit bezeichnen. Das heißt, wenn wir Energie haben, können wir damit Arbeit verrichten. Energie kann auf verschiedene Arten vorliegen. Am anschaulichsten ist die potentielle Energie. Wenn du einen Stein vom Boden auf einen Tisch hebst, musst du Arbeit verrichten. Der Stein hat dann potentielle Energie. In einer gespannten Feder ist auch potentielle Energie gespeichert. Im Alltag benutzen wir oft elektrische Energie. Sie können zum Beispiel in Batterien gespeichert werden. Sobald sich ein Körper mit einer gewissen Masse bewegt, hat er kinetische Energie. So wird zum Beispiel die kinetische Energie des Windes benutzt, um Windräder anzutreiben. Es gibt auch Stoffe, die chemische Energie beinhalten. Zum Beispiel Öl oder auch Holz. Eine weitere Form der Energie ist die thermische Energie. Jeder Körper mit einer gewissen Temperatur hat auch thermische Energie. Und es gibt auch Strahlungsenergie. Die Sonne zum Beispiel strahlt den ganzen Tag Energie ab, sodass es auf der Erde warm wird. Nun liegt die Energie aber nicht immer in der Form vor, in der wir sie benötigen. Zum Beispiel machen wir, damit es nachts nicht dunkel ist, das Licht an. Um Licht zu erzeugen, nehmen wir eine Glühbirne, die die elektrische Energie des Stromes in Strahlungsenergie umwandelt. Da die elektrische Energie aber auch nicht an den Bäumen wächst, verwendet man zum Beispiel Solarzellen, um die Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie zu wandeln. Energie kann also von einer Form in eine andere gewandelt werden. Geräte die das machen, nennt man Energiewandler. Bei der Umwandlung der Energie wird aber nicht alle Energie aus der ursprünglichen Form in die Gewünschte gewandelt. Ein Teil davon geht immer in ein oder mehrere andere, nicht nutzbare Energieformen über. Diesen Teil nennt man dann Energieverlust. Da die Energie aber nicht wirklich verloren geht, sondern nur in einer nicht nutzbaren Form vorliegt, spricht man auch von Energieentwertung. So sendet die Glühbirne zum Beispiel nicht nur Licht aus. Sie wird außerdem auch noch warm. Um diesen Energieverlust bzw. diese Energieentwertung mit Zahlen auszudrücken, führt man den Wirkungsgrad ein. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis aus der Energie, die man nutzen kann und der Energie, die man dem Energieumwandler ursprünglich zugeführt hat. Der Wirkungsgrad gibt also an, wie effektiv ein Energiewandler ist. Dabei kann er als Zahl oder in Prozent angegeben werden. Da bei der Energieumwandlung höchstens eine Energie umgewandelt werden kann, ist der theoretische Höchstwert für η (“eta”) eins bzw. 100 Prozent. In der Realität kommt es allerdings immer zu Energieverlusten, sodass η praktisch immer kleiner eins ist. Wenn gar keine Energie in die gewünschte Energieform umgewandelt wird, das heißt, wenn alle zugeführte Energie entwertet wird, ist η = null. Da aber niemand einen Energiewandler benutzt, der gar keine Energie in die gewünschte Form umwandelt, kommt dieser Fall in der Praxis auch nicht vor. Daraus folgt, dass η immer Werte zwischen null und eins hat. In der Praxis will man immer einen möglichst hohen Wirkungsgrad erreichen, da man die Energieverluste nicht nutzen kann. Deshalb wird viel Geld und Arbeit investiert, um zum Beispiel Automotoren effizienter zu machen, um Sprit zu sparen. Einen höheren Wirkungsgrad kann man zum Beispiel dadurch erreichen, dass man einen Teil der entwerteten Energie wieder in einen Energiewandler schickt und diese wieder einspeist. Oder man nutzt die entwertete Energie direkt. Das macht man zum Beispiel bei Automotoren. Im Winter wird der Teil der Energie, der in Wärme gewandelt wird, genutzt, um die Heizung zu betreiben. In der Praxis sind die Wirkungsgrade je nach Wandler sehr unterschiedlich. Eine Glühbirne zum Beispiel hat einen Wirkungsgrad von nur fünf Prozent. Das heißt nur ein Zwanzigstel der zugeführten Energie geht in Strahlungsenergie über. Der Rest wird in Wärme abgeführt. Ein neuer Dieselmotor hat einen Wirkungsgrad von circa 40 Prozent. Auch hier bestehen die Energieverluste auch hauptsächlich aus Wärmeenergie. Elektromotoren haben sehr hohe Wirkungsgrade von 95 Prozent und mehr. Kraftwerke sind auch Energiewandler. Sie wandeln große Mengen von thermischer, chemischer, potentieller, kinetischer und Strahlungsenergie in elektrische Energie um. Auch sie haben einen Wirkungsgrad. Wasserkraftwerke haben einen sehr hohen Wirkungsgrad. Sie wandeln bis zu 90 Prozent der potentiellen Energie des Wassers in elektrische Energie um. Bei Kohlekraftwerken hängt der Wirkungsgrad davon ab, wie modern die Anlage ist. Bei gut ausgebauten Kohlekraftwerken kann er 38 Prozent betragen. Weltweit beträgt er im Durchschnitt aber nur 31 Prozent. Kernkraftwerke, in denen Strahlungsenergie in elektrische umgewandelt wird, haben einen Wirkungsgrad von ca. 35 Prozent. So, was haben wir heute gelernt? Energie findet man in verschiedenen Formen vor. Wichtige Energieformen sind: potentielle, thermische, elektrische, chemische, kinetische und Strahlungsenergie. Energiewandler wandeln Energie von einer Form in eine andere. Dabei kommt es zu Energieverlusten bzw. Energieentwertung. Das heißt, ein Teil der zugeführten Energie wird in eine nicht nutzbare Energieform umgewandelt. Wie groß diese Energieverluste sind, wird durch den Wirkungsgrad angegeben. Er ist definiert als das Verhältnis zwischen nutzbarer Energie Enutz und der zugeführten Energie Eein. Außerdem haben Energiewandler sehr unterschiedliche Wirkungsgrade. Je nachdem, wie viele Energieverluste auftreten. Auch Kraftwerke sind Energiewandler. Das war es dann auch zum Thema Wirkungsgrad. Ich hoffe, du hast etwas gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal!

6 Kommentare
  1. cool

    Von Manuelalimberger, vor 11 Monaten
  2. @Maja Raith
    Die aufgewandte Energie ist immer die gesamte eingesetzte Energie. Beispiele hierfür ist die Menge an elektrischer Energie für den Betrieb eines Gerätes, oder die gesamte Energie des Holzes im Kamin. Bei jedem dieser Prozesse wird Energie umgewandelt. Zumeist in Wärmeenergie und der Nutzenergie. Oder reiner Wärmeenergie beim Beispiel eines Wasserkochers. Damit ist der Wert an Nutzenergie auch immer kleiner als der der aufgewandten Energie. Hoffe ich konnte dir weiterhelfen.

    Von Karsten Schedemann, vor fast 5 Jahren
  3. Ich verstehe nicht ganz wie man erkennt was die nutzbare und was die aufgewandte energie ist ;(

    Von Maja Raith, vor fast 5 Jahren
  4. Dankeschön, hat mir sehr geholfen. :)

    Von Kerstin Single 1, vor mehr als 5 Jahren
  5. dankeschön.

    Von Kerstin Single 1, vor mehr als 5 Jahren
  1. jooonge

    Von Uan V., vor mehr als 5 Jahren
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Wirkungsgrad Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wirkungsgrad kannst du es wiederholen und üben.

  • Ordne die Energieformen den entsprechenden Objekten zu.

    Tipps

    Bei manchen dieser Energieträger wird mehr als eine Energieform frei.

    Lösung

    Beim Wirkungsgrad beschäftigt man sich mit dem Problem, dass nicht alle Energie in die gewünschte Form umgewandelt wird.

    Ein gewisser Teil wird noch in eine andere Form umgewandelt, so auch in diesen Beispielen. In der Glühbirne wird zum Beispiel ungewollt viel Wärme frei, obwohl man nur Licht, also Strahlungsenergie, durch elektrische Energie erzeugen möchte.

    Beim Lagerfeuer ist es oft eher andersherum, wobei draußen im dunklen Wald sicher beide Energieformen erwünscht sind.

    Die im Holz bereitgestellte Energie für ein Lagerfeuer ist chemische Energie. Diese wird auch in unserer Nahrung bereitgestellt, damit wir diese dann z.B. in kinetische Energie umwandeln können.

    Da man kinetische Energie auch Bewegungsenergie nennt, gehört der Wind auch dazu.

  • Beschreibe Eigenschaften des Wirkungsgrades.

    Tipps

    Überlege, ob ein Energiewandler, der Energie nur in unerwünschte Energieformen umwandelt, wirklich brauchbar ist.

    Lösung

    Was lässt sich über den Wirkungsgrad sagen?

    Wenn der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Energie kleiner als 100% ist, so hat man einen Energieverlust. Da Energie aber nie verloren geht, spricht man von „Energieentwertung", weil die unerwünschte Energieform für uns weniger wertvoll ist.

    Ein Wirkungsgrad von 100% ist in der Realität sehr selten, und ein Wirkungsgrad von 0% produziert nur unerwünschte Energieformen, ist also sicher ein nicht erwünschter Effekt.

    Bei fast allen elektrischen Geräten oder bei Reibung durch kinetische Energie entsteht als unerwünschtes Nebenprodukt stets thermische Energie.

  • Beschreibe den Energiewandlungsverlauf.

    Tipps

    Die große schwarze Platte ist eine Solarzelle.

    Lösung

    Wo werden Energiewandler denn überall gebraucht und wie viel Energie kommt am Ende an?

    Bei jeder Wandlung geht Energie „verloren". So wird nur etwa 20% der Strahlungsenergie der Sonne von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt, der Rest wird reflektiert oder in thermische Energie umgewandelt.

    Dann kann man die elektrische Energie in einer Batterie als chemische Energie speichern, bis man sie als elektrische Energie wieder in Strahlungsenergie umwandeln möchte, z.B. mit einer Glühbirne.

    Auch bei der Glühbirne geht wieder sehr viel Energie als thermische Energie „verloren".

  • Berechne den Wirkungsgrad der neuartigen Glühlampe.

    Tipps

    Achte auf die Einheiten. Die Einheit für Energie ist $J$ Joule.

    $1~\text{W}=1~\dfrac{\text{J}}{\text{s}}$

    Um zur Einheit Joule oder Kilogramm zu kommen, kann es helfen, schon einmal die Kubikmeter oder die Sekunden einzutragen.

    Lösung

    Nun soll der Wirkungsgrad konkret berechnet werden. Dazu das Beispiel dieser tollen neuen Glühbirne. Ist sie wirklich so toll oder ist ihr Wirkungsgrad keine große Neuerung?

    $20$ Watt $ = 20~\dfrac{\text{J}}{\text{s}}$, also bei nur einer Sekunde $E_{\text{elektrisch}}=20~\text{J}$.

    Die thermische Energie wird berechnet durch:

    $E=m\cdot c\cdot \Delta T$.

    Da die Luftdichte in Kilogramm pro Kubikmeter angegeben wird und die Kammer einen Kubikmeter groß ist, entspricht die Masse genau dem Druck. C und T sind ebenfalls bekannt.

    T wird in Kelvin angegeben. Bei einer Temperaturdifferenz gibt es jedoch keinen Unterschied zwischen Kelvin und Celsius.

    $E=0,0012041~\dfrac{\text{kg}}{1}\cdot 1,005~\dfrac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}}\cdot 5~\text{K}=0,00605~\text{kJ}=6,05~\text{J}$.

    Da der Wirkungsgrad nicht für die thermische, sondern für die restliche Energie gesucht wird, rechnet man:

    $\eta=\dfrac{(20~\text{J}-6,05~\text{J})}{20~\text{J}}=0,6975\approx 0,7$ das Entspricht 70%.

    Damit hat diese neuartige Glühlampe einen unglaublich hohen Wirkungsgrad von 70%.

    Herkömmliche Glühbirnen haben einen Wirkungsgrad von 5%.

  • Definiere den Wirkungsgrad.

    Tipps

    Der Wirkungsgrad bezieht sich immer auf den Anteil der gewünschten Energie.

    Lösung

    Was versteht man nun unter einem Wirkungsgrad und was sagt dieser Wert genau aus?

    Er sagt aus, wie viel Prozent an gewünschter Energieform hinterm Wandler herauskommen. Der Rest ist dann eine als wertlos betrachtete Energieform.

    Drückt man Prozente in Zahlen aus, gehen sie von 0 bis 1. Also geht auch der Wirkungsgrad $\eta$ von 0 bis 1.

    Wobei 100% sehr utopisch sind und 0% nutzlos.

    Die Formel für den Wirkungsgrad lautet dabei:

    $\eta =\dfrac{\text{rauskommende Energie}}{\text{eingehende Energie}}$.

    Bei der Glühbirne will man Licht erzeugen, überwiegend entsteht dabei aber leider Wärme. Daher besitzt sie einen sehr geringen Wirkungsgrad.

  • Gib den Wirkungsgrad in Prozent für die Energiewandler an.

    Tipps

    Das orange-grüne Teil ist eine schematische Darstellung eines Elektromotors.

    Lösung

    Der Wirkungsgrad eines Energiewandlers ist der prozentuale Anteil der gewünschten Energieform, z.B. von Kernenergie zu elektrischer Energie.

    Bei der Glühbirne werden gerade mal 5% der Energie in die gewünschte Strahlungsenergie umgewandelt. Der Rest endet als thermische Energie und wird selten gewünscht.

    Beim Automotor wird immerhin bis zu 40% der Energie in kinetische Energie umgewandelt. Beim Elektromotor sogar 95%.

    Das klingt natürlich fantastisch. Nur ist der Wirkungsgrad der Kraftwerke, die den Strom für den Elektromotor erzeugen, nicht sehr hoch, wodurch die Gesamtbilanz letztendlich auch etwas leidet: bei Kohle- (31%) oder Kernkraftwerken (35%) sehr, bei Wasserkraftwerken(90%) jedoch kaum.

    Wobei das Atomkraftwerk durch seinen fehlenden $CO_2$ Ausstoß besticht.

    Dabei muss man auch zwischen regenerativer Energiequelle und fossiler unterscheiden, wenn man die Nachhaltigkeit der Varianten beurteilen will.