Wirkungsgrad und Energieverluste

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Physik, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Warum wird eine Fahrradbremse warm? Warum braucht eine Lampe mehr elektrische Energie, als sie als Licht abgibt? Bei jeder Energieumwandlung entsteht neben der gewünschten Nutzenergie auch Verlustenergie. Der Wirkungsgrad zeigt, wie groß der nutzbare Anteil ist.

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Energie wird umgewandelt

Energie verschwindet nicht. Sie wird in andere Energieformen umgewandelt. Was für unseren Zweck nicht hilfreich ist, nennen wir Verlustenergie. Häufig entsteht dabei Wärme, zum Beispiel durch Reibung.

Die Animation zeigt eine Dämpfung: Die sichtbare Bewegung wird kleiner, weil mechanische Energie in andere Energieformen übergeht.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad wird mit dem griechischen Buchstaben η bezeichnet. Er wird Eta gesprochen.

$\eta =\frac{E_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{t}\mathrm{z}}}{E_{\mathrm{z}\mathrm{u}}}$

Auch mit Leistungen kann gerechnet werden:

$\eta =\frac{P_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{t}\mathrm{z}}}{P_{\mathrm{z}\mathrm{u}}}$

Beispiel: Ein Gerät erhält 100 Joule. Davon sind 70 Joule nutzbar. Dann gilt: $\eta =\frac{70}{100}=\mathrm{0,70}=70\mathrm{\%}$. Die übrigen 30 Joule sind Verlustenergie.

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Sankey-Diagramm

Ein Sankey-Diagramm zeigt Energieflüsse mit Pfeilen. Ein breiter Pfeil steht für viel Energie, ein schmaler Pfeil für wenig Energie.

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Energieverluste im Alltag

Bei einer Lampe ist Licht die Nutzenergie. Wärme ist meist Verlustenergie. Eine LED-Lampe braucht für eine ähnliche Helligkeit meist weniger elektrische Energie als eine alte Glühlampe.

Beim Bremsen wird Bewegungsenergie durch Reibung vor allem in Wärme umgewandelt.

Auch ein Elektromotor wird warm. Reibung und elektrische Widerstände verringern seinen Wirkungsgrad.

Eine gedämpfte Bewegung wird mit der Zeit kleiner. Die Gesamtenergie bleibt erhalten, aber weniger davon steckt in der sichtbaren Bewegung.

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Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt der Wirkungsgrad? (Den Anteil der Nutzenergie an der zugeführten Energie) (!Die gesamte Masse eines Geräts) (!Die Dauer einer Energieumwandlung) (!Die Farbe eines Energiewandlers)

Welches Formelzeichen hat der Wirkungsgrad? (Eta) (!Delta) (!Omega) (!Lambda)

Welchem Prozentwert entspricht ein Wirkungsgrad von 0,8? (80 Prozent) (!8 Prozent) (!20 Prozent) (!800 Prozent)

Ein Gerät erhält 200 Joule und gibt 150 Joule Nutzenergie ab. Wie groß ist der Wirkungsgrad? (75 Prozent) (!25 Prozent) (!50 Prozent) (!150 Prozent)

Ein Gerät erhält 100 Joule. 25 Joule sind Verlustenergie. Wie groß ist die Nutzenergie? (75 Joule) (!25 Joule) (!100 Joule) (!125 Joule)

Was zeigt die Breite eines Pfeils im Sankey-Diagramm? (Die Größe des Energieflusses) (!Die Geschwindigkeit des Geräts) (!Die Temperatur der Raumluft) (!Die Masse des Geräts)

Was bedeutet Energieverlust in diesem Zusammenhang? (Energie wird in nicht gewünschte Formen umgewandelt) (!Energie verschwindet vollständig) (!Energie wird aus dem Nichts erzeugt) (!Energie verliert ihre Einheit)

In welche Energieform wird Bewegungsenergie durch Reibung oft umgewandelt? (In thermische Energie) (!In Kernenergie) (!In Lageenergie) (!In chemische Energie)

Wie groß ist der Wirkungsgrad einer realen Maschine normalerweise? (Kleiner als 100 Prozent) (!Immer genau 100 Prozent) (!Größer als 200 Prozent) (!Immer genau null Prozent)

Wie berechnet man den Gesamtwirkungsgrad mehrerer Umwandlungen hintereinander? (Man multipliziert die Einzelwirkungsgrade) (!Man addiert alle Einzelwirkungsgrade) (!Man zieht alle Einzelwirkungsgrade ab) (!Man verdoppelt den kleinsten Wirkungsgrad)

Memory

Wirkungsgrad	Anteil nutzbarer Energie
Nutzenergie	gewünschte Energieform
Verlustenergie	nicht gewünschte Energieform
Reibung	wandelt Bewegung oft in Wärme um
Sankey-Diagramm	Pfeilbreite zeigt Energiemenge
Eta	Formelzeichen des Wirkungsgrads

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
Nutzenergie	gewünschter Anteil
Verlustenergie	nicht gewünschter Anteil
Reibung	erwärmt oft Bauteile
Sankey-Diagramm	zeigt Energieflüsse
Wirkungsgrad	vergleicht Nutzen und Aufwand

Kreuzworträtsel

Wirkungsgrad	Wie heißt das Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie?
Nutzenergie	Wie heißt die gewünschte Energie eines Geräts?
Verlustenergie	Wie heißt der nicht gewünschte Energieanteil?
Reibung	Welche Kraft wandelt Bewegung oft in Wärme um?
Sankey	Welcher Diagrammtyp zeigt Energieflüsse durch verschieden breite Pfeile?
Leistung	Welche Größe gibt Energie pro Zeit an?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Der Wirkungsgrad wird mit dem griechischen Buchstaben bezeichnet. Er ist der Quotient aus und zugeführter Energie. Der Wirkungsgrad wird oft in angegeben. Durch Reibung entsteht häufig . In einem Sankey-Diagramm zeigt die Pfeilbreite die . Energie geht nicht verloren, sondern wird . Bei mehreren Umwandlungen werden die Einzelwirkungsgrade .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Energiewandler: Finde zu Hause drei Geräte und notiere jeweils zugeführte Energie, Nutzenergie und Verlustenergie.
2. Reibung: Reibe Deine Hände aneinander. Beschreibe, welche Energieumwandlung Du fühlst.
3. Sankey-Diagramm: Zeichne für eine Taschenlampe einen breiten Eingangspfeil und zwei Ausgangspfeile für Licht und Wärme.
4. Erklärtext: Erkläre in fünf einfachen Sätzen, was ein Wirkungsgrad von 60 Prozent bedeutet.

Standard

1. Experiment: Lass einen Spielzeugkreisel drehen. Beobachte, wie seine Bewegung abnimmt, und erkläre die Energieumwandlungen.
2. Gerätevergleich: Vergleiche die Leistungsangaben zweier Lampen mit ähnlicher Helligkeit. Begründe, welche wahrscheinlich effizienter ist.
3. Energieflussdiagramm: Gestalte ein beschriftetes Diagramm für einen Föhn, einen Ventilator oder einen Lautsprecher.
4. Interview: Frage eine Person, wie sie im Alltag Energie spart. Ordne die Antworten den Bereichen geringerer Verbrauch oder höherer Wirkungsgrad zu.

Schwer

1. Messung: Plane einen sicheren Versuch, mit dem Du Nutzenergie und zugeführte Energie abschätzen kannst. Beschreibe Messgrößen und Fehlerquellen.
2. Systemgrenze: Erkläre am Beispiel eines Elektroautos, warum der Wirkungsgrad davon abhängt, welche Teile der Energiekette betrachtet werden.
3. Gesamtwirkungsgrad: Erfinde eine Energiekette mit drei Wirkungsgraden und berechne den Gesamtwirkungsgrad.
4. Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video mit einem eigenen Sankey-Diagramm, einer Rechnung und einem Alltagstipp.

Lernkontrolle

1. Energieerhaltung: Eine Fahrradbremse wird heiß. Erkläre, warum dies kein Verschwinden von Energie ist.
2. Vergleich: Zwei Lampen erzeugen gleich viel Licht, benötigen aber unterschiedlich viel elektrische Leistung. Begründe, welche Lampe den höheren Wirkungsgrad hat.
3. Berechnung: Ein Motor nimmt 500 Joule auf und gibt 350 Joule als Bewegung ab. Berechne Wirkungsgrad und Verlustenergie und deute beide Werte.
4. Sankey-Diagramm: Ein Diagramm zeigt 100 Joule Eingang, 65 Joule Nutzenergie und 35 Joule Wärme. Prüfe die Energiebilanz und erkläre die Pfeilbreiten.
5. Transfer: Entwickle zwei Änderungen, die den Wirkungsgrad eines Fahrrads oder einer Maschine erhöhen könnten. Begründe physikalisch.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis solltest Du den Wirkungsgrad erklären, die Formel sicher anwenden, Nutzenergie und Verlustenergie unterscheiden, ein Sankey-Diagramm lesen und die Energieerhaltung an einem Beispiel begründen können.

OERs zum Thema

LEIFIphysik: Wirkungsgrad

Verknüpfte Lernbereiche

1. Energie und Energieformen: Grundlage zum Verständnis von Energieumwandlungen.
2. Arbeit, Energie und Leistung: Verbindung zwischen Energie, Zeit und Leistung.
3. Mechanik: Reibung, Bewegung und Energieverluste bei Maschinen.
4. Elektrizitätslehre: Wirkungsgrad elektrischer Geräte und Lampen.
5. Nachhaltigkeit: Bedeutung effizienter Technik für einen geringeren Energieverbrauch.

Links

Wirkungsgrad und Energieverluste Energie Energieumwandlung Energieerhaltungssatz Nutzenergie Verlustenergie Wirkungsgrad Sankey-Diagramm Reibung Leistung (Physik)