Wirkungsgrad und Energieverluste
Wirkungsgrad und Energieverluste
Wirkungsgrad und Energieverluste
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.[1]
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.[2]
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.
Auch mit Leistungen kann gerechnet werden:
Beispiel: Ein Gerät erhält 100 Joule. Davon sind 70 Joule nutzbar. Dann gilt: . Die übrigen 30 Joule sind Verlustenergie.
Sankey-Diagramm
Ein Sankey-Diagramm zeigt Energieflüsse mit Pfeilen. Ein breiter Pfeil steht für viel Energie, ein schmaler Pfeil für wenig Energie.[3]
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.
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? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Energiewandler: Finde zu Hause drei Geräte und notiere jeweils zugeführte Energie, Nutzenergie und Verlustenergie.
- Reibung: Reibe Deine Hände aneinander. Beschreibe, welche Energieumwandlung Du fühlst.
- Sankey-Diagramm: Zeichne für eine Taschenlampe einen breiten Eingangspfeil und zwei Ausgangspfeile für Licht und Wärme.
- Erklärtext: Erkläre in fünf einfachen Sätzen, was ein Wirkungsgrad von 60 Prozent bedeutet.
Standard
- Experiment: Lass einen Spielzeugkreisel drehen. Beobachte, wie seine Bewegung abnimmt, und erkläre die Energieumwandlungen.
- Gerätevergleich: Vergleiche die Leistungsangaben zweier Lampen mit ähnlicher Helligkeit. Begründe, welche wahrscheinlich effizienter ist.
- Energieflussdiagramm: Gestalte ein beschriftetes Diagramm für einen Föhn, einen Ventilator oder einen Lautsprecher.
- Interview: Frage eine Person, wie sie im Alltag Energie spart. Ordne die Antworten den Bereichen geringerer Verbrauch oder höherer Wirkungsgrad zu.
Schwer
- Messung: Plane einen sicheren Versuch, mit dem Du Nutzenergie und zugeführte Energie abschätzen kannst. Beschreibe Messgrößen und Fehlerquellen.
- Systemgrenze: Erkläre am Beispiel eines Elektroautos, warum der Wirkungsgrad davon abhängt, welche Teile der Energiekette betrachtet werden.
- Gesamtwirkungsgrad: Erfinde eine Energiekette mit drei Wirkungsgraden und berechne den Gesamtwirkungsgrad.
- Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video mit einem eigenen Sankey-Diagramm, einer Rechnung und einem Alltagstipp.
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Lernkontrolle
- Energieerhaltung: Eine Fahrradbremse wird heiß. Erkläre, warum dies kein Verschwinden von Energie ist.
- Vergleich: Zwei Lampen erzeugen gleich viel Licht, benötigen aber unterschiedlich viel elektrische Leistung. Begründe, welche Lampe den höheren Wirkungsgrad hat.
- Berechnung: Ein Motor nimmt 500 Joule auf und gibt 350 Joule als Bewegung ab. Berechne Wirkungsgrad und Verlustenergie und deute beide Werte.
- Sankey-Diagramm: Ein Diagramm zeigt 100 Joule Eingang, 65 Joule Nutzenergie und 35 Joule Wärme. Prüfe die Energiebilanz und erkläre die Pfeilbreiten.
- 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
Verknüpfte Lernbereiche
- Energie und Energieformen: Grundlage zum Verständnis von Energieumwandlungen.
- Arbeit, Energie und Leistung: Verbindung zwischen Energie, Zeit und Leistung.
- Mechanik: Reibung, Bewegung und Energieverluste bei Maschinen.
- Elektrizitätslehre: Wirkungsgrad elektrischer Geräte und Lampen.
- Nachhaltigkeit: Bedeutung effizienter Technik für einen geringeren Energieverbrauch.
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