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Wirkungsgrad und Wert der Energie

Wirkungsgrad in der Physik: Grundlagen und Anwendungen Erfahre, wie Energie in verschiedene Formen umgewandelt wird und warum ein Teil verloren geht. Lerne, wie der Wirkungsgrad die Effizienz misst und warum er nie 100% erreicht. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Team Digital
Wirkungsgrad und Wert der Energie
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse - 10. Klasse

Wirkungsgrad und Wert der Energie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wirkungsgrad und Wert der Energie kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne eine Definition des Energiewandlers.

    Tipps

    Energie wird niemals erzeugt oder verbraucht.

    Der Energiewandler nimmt Energie auf und wandelt sie in eine andere Energieform um.

    Lösung

    Ein Energiewandler ist ein physikalisches System oder Gerät, das dazu dient, Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Der Prozess der Energieumwandlung erfolgt durch den Energiewandler, der Energie in unterschiedlichen Formen aufnimmt und sie in gewünschte – und unter Umständen ungewünschte – Formen umwandelt.


    • Ein Energiewandler ist Gerät, das Licht in Ton umwandelt.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Ein Energiewandler ist ein System oder ein Gerät, das Energie von einer Form in eine andere umwandelt.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig.


    • Ein Energiewandler ist ein elektrisches Gerät, das mechanische Energie erzeugt.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.


    • Ein Energiewandler ist ein Gerät, das Licht erzeugt.
    $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch.
  • Vervollständige die Definition des Wirkungsgrades.

    Tipps

    Bei der Umwandlung der Energie in die gewünschte Energieform geht ein Teil der Energie in nicht nutzbare Energieformen über.

    Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie nach einer Energiewandlung nutzbar ist.

    Der Wirkungsgrad definiert sich über das Verhältnis von genutzter zu zugeführter Energie.

    Lösung

    Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie nach einer Energiewandlung nutzbar ist. Der Wirkungsgrad ist damit ein Effizienzmaß.

    Der Lösungstext lautet also:

    1. Der Wirkungsgrad $\eta$ ist ein Maß dafür, wie effektiv eine Energieumwandlung ist.

    2. Dieser drückt das Verhältnis der tatsächlich genutzten oder verwertbaren Energie zur zugeführten Energie aus.

    3. Der Wirkungsgrad liegt dabei zwischen $0 \leq \eta < 1$ und wird auch in Prozent angegeben.

  • Berechne den Wirkungsgrad eines Wasserkraftwerks.

    Tipps

    Der Wirkungsgrad definiert sich durch das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand.

    Die Einheit $1~\text{MJ}$ steht für die Einheit der Energie Megajoule und beträgt umgerechnet $10^6~\text{J}$.

    Lösung

    Der Wirkungsgrad definiert sich durch das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand.

    Gegeben sind die folgenden Informationen für ein Wasserkraftwerk:

    • zugeführte Energie: $E_{Zu}=\pu{500 MJ}$
    • genutzte Energie für die Stromerzeugung: $E_{Nutz}=\pu{400 MJ}$

    Berechne den Wirkungsgrad $\eta$ des Wasserkraftwerks, indem du die genutzte Energie durch die zugeführte Energie teilst und das Ergebnis in Prozent umwandelst:

    $\eta=\dfrac{E_{Nutz}}{E_{Zu}}=\dfrac{\pu{400 MJ}}{\pu{500 MJ}} = 0{,}8$

    Der Wirkungsgrad für ein Wasserkraftwerk beträgt somit $\eta = 0{,}8$ bzw. $\eta = 80\,\%$.

  • Berechne die nutzbare Energie.

    Tipps

    Der Wirkungsgrad $\eta$ wird durch das Verhältnis von zugeführter und nutzbarer Energie definiert.

    Es gilt diese Gleichung:

    $\eta=\dfrac{E_{Nutz}}{E_{Zu}}$

    Die Gleichung muss nach $E_{Nutz}$ umgestellt werden.

    Lösung

    Um die nutzbare Energie bei einem Elektromotor zu berechnen, benötigen wir die zugeführte Energie und den Wirkungsgrad.

    Folgende Informationen sind gegeben:

    • Wirkungsgrad: $\eta=90\,\%$
    • zugeführte Energie: $E_{Zu}=3{,}6\cdot10^{8}\pu{J}$

    Für den Wirkungsgrad gilt diese Gleichung:

    $\eta=\dfrac{E_{Nutz}}{E_{Zu}}$

    Für die Berechnung der nutzbaren Energie müssen wir die Formel zunächst durch Multiplizieren von $E_{Zu}$ umstellen:

    $\eta=\dfrac{E_{Nutz}}{E_{Zu}}~\Leftrightarrow~\eta \cdot E_{Zu} = E_{Nutz}$

    Jetzt können wir die Werte einsetzen und die nutzbare Energie berechnen:

    $E_{Nutz}=\eta \cdot E_{Zu}=0{,}9 \cdot 3{,}6\cdot10^{8}\pu{J}=3{,}24\cdot10^{8}\pu{J}$

    Die nutzbare Energie beträgt bei diesem Elektromotor:

    $E_{Nutz}=3{,}24\cdot10^{8}\pu{J}$

  • Ordne den Wirkungsgrad nach der Energieeffizienz.

    Tipps

    Wenn ein Energiewandler mit einem Wirkungsgrad von $100$ Prozent arbeiten würde, würde dies bedeuten, dass die gesamte zugeführte Energie erfolgreich ohne Verluste in die gewünschte Energieform überführt wird.

    Ein niedriger Wirkungsgrad deutet darauf hin, dass ein beträchtlicher Teil der zugeführten Energie nicht in die gewünschte Form umgewandelt wird. Dies führt zu Energieverlusten und könnte darauf hindeuten, dass der Energiewandler weniger effizient arbeitet.

    Lösung

    Der Wirkungsgrad gibt an, wie effizient ein Energiewandler die ihm zugeführte Energie in die gewünschte Energieform umwandelt:
    Ein Energiewandler mit einem Wirkungsgrad von $100$ Prozent würde die zugeführte Energie ohne Verluste umwandeln.
    Bei einem niedrigen Wirkungsgrad hingegen wird ein erheblicher Teil der zugeführten Energie nicht effizient umgewandelt.

    Somit ist diese Reihenfolge korrekt:

    1. Wasserturbine: $\eta=85\,\%$

    2. Dieselmotor: $\eta=45\,\%$

    3. Solarzelle: $\eta=15\,\%$

    4. Lampe: $\eta=5\,\%$

  • Erkläre, warum fossile Energie trotz ihres hohen Wirkungsgrads keine ideale Option für die elektrische Energie ist.

    Tipps

    Achte auf Schlüsselbegriffe, die dabei helfen, den richtigen Partner zu finden.

    Lösung

    Fossile Energie, zum Beispiel aus Kohle und Erdöl, hat zwar einen hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung, ist jedoch keine ideale Option wegen der Aspekte Umweltauswirkungen, begrenzte Ressourcen, Abhängigkeiten und Nachhaltigkeit.


    Die folgenden Erläuterungen passen zu den Begriffen:


    • Umweltauswirkungen: Fossile Energie erzeugt Treibhausgase und beeinflusst den Klimawandel, während erneuerbare Energien keine schädlichen Emissionen verursachen und zur Reduzierung von Luftverschmutzung und Klimawandel beitragen.

    • begrenzte Ressourcen: Kohle und Erdöl sind begrenzt. Erneuerbare Energien nutzen unbegrenzte natürliche Ressourcen.

    • Abhängigkeiten: Viele Länder sind stark von Importen fossiler Brennstoffe abhängig. Erneuerbare Energien sorgen für Vielfalt in der Energiegewinnung und reduzieren die Abhängigkeit.

    • Nachhaltigkeit: Erneuerbare Energie ist nachhaltiger als fossile Energie und erfüllt die Energiebedürfnisse der Gegenwart, ohne die Möglichkeiten zukünftiger Generationen zu beeinträchtigen.