Energie - Arbeit

Elektrische Energie und Leistung
Merk-Blatt
Energie - Arbeit - Leistung
Das physikalische Grundgesetz der Energieerhaltung sagt, dass Energie nicht produziert oder verbraucht
werden kann. Sondern verschiedene Energieformen werden ineinander umgewandelt.
Energie = Arbeit
-
Arbeit = Energietransfer
Energie ist physikalisch gleichbedeutend mit Arbeit.
Die Unterscheidung geschieht meist auf sprachlicher Ebene oder in der Bedeutung des Begriffs:
• Arbeit wird meist als Prozess verstanden
• Energie wird meist als Zustand verstanden
• Arbeit wird „verrichtet“
• Energie ist gespeichert oder "vorhanden"
• Arbeit ist Energieübertragung, Energietransfer
• Energie wird umgesetzt oder umgewandelt
• Arbeit ist meist "sichtbar", z.B. mechanische Arbeit • Energie ist noch nicht oder bereits verrichtete Arbeit
Die verrichtete Arbeit ist gleich gross wie der umgewandelte Energiebetrag und wird auch gleich gemessen: in
der Einheit Joule (J).
Elektrizität ist eine bestimmte Energieform. Auch Strom wird nicht "verbraucht". Stromverbrauch gibt es nicht!
Ebensowenig wie "Stromproduktion". "Strom" ist eigentlich nur der volkstümliche Begriff für Elektrische
Energie. Denn Strom bezeichnet den bewegten Zustand von Ladungsträgern (Elektronen)
Leistung
Leistung ist immer eine Grösse bezogen auf einen Zeitabschnitt. Beispiele:
- Transportleistung = Personen pro Stunde
- Geldleistung = Franken pro Monat
=> Physikalische und elekrische Leistung ist umgewandelte Energiemenge pro Zeitabschnitt.
Physikalische Leistung:
Leistung ist zu verstehen als Abkürzung für das Verhältnis Energie/Zeit.
Definition:
Leistung = P =
Arbeit W Energie E
=
=
=
Zeit
t
Zeit
t
→ E = P ⋅ t;
Eine Maschine oder ein anderer Energiewandler hat eine grosse Leistung, wenn sie
- in einer bestimmten Zeit viel Energie umsetzt, oder
- eine bestimmte Energiemenge in kurzer Zeit umsetzt
Beispiele für Leistungsbeträge:
Velodynamo
Mensch (Dauerleistungsvermögen):
Mittelklasse-Auto
Lastwagen
Elektrolokomotive
grösseres Wasser- oder Kernkraftwerk
Space-Shuttle
Sonne
3W
100W
70kW
400kW
1 MW
1 GW
10
10 GW = 10 W
26
10 W
[email protected]
t=
E
P
Elektrische Energie und Leistung
Merk-Blatt
Elektrische Leistung und Energie
Die elektrische Leistung eines Elements
errechnet sich aus dem Produkt von Strom durch
das Element mal Spannung über dem Element:
Für die elektrische Energie kann man in der
obigen Formel ( E = P ⋅ t ) das
P ersetzen durch U ⋅ I:
P=U⋅I
E=U⋅I⋅t
Grössen: Leistung ist Spannung mal Strom
Grössen:
Energie ist Spannung mal Strom mal Zeit
Einheiten:
Watt = Volt ⋅ Ampère (W = VA)
Einheiten: Volt Ampère Sekunden (Ws = VAs)
Bei den Elektrozählern im Haushalt wird die Energie in Kilowattstunden (kWh) gemessen.
1 Kilowattstunde ist die Energie, die umgesetzt wird, wenn ein Verbraucher mit einer Leistung von 1 Kilowatt
eine Stunde lang eingeschaltet ist (z.B. ein Bügeleisen).
Umrechnung:
1 Kilowattstunde = 1 kWh = 1000 W ⋅ 3600 s = 3'600'000 Ws = 3,6 ⋅ 106 Ws = 3,6 MJ.
Zusammenstellung:
Grösse
Leistung
Energie *
Arbeit
Symbol / Formelzeichen
P (power)
E (energy) oder W
W (work) (auch E)
Einheit
W (Watt)
J (Joule) oder Ws
J oder Nm (NewtonMeter)
weitere verwendete Einheiten
VA (Voltampère) = W
kWh (Kilowattstunde, umrechnen!)
Ws (Wattsekunde) = J
Der Wirkungsgrad η (nüü)
Der Wirkungsgrad zeigt, wie wirkungsvoll, also wie
effizient eine Maschine (ein Leistungs- oder
Energiewandler) arbeitet.
Er sagt aus, welcher Anteil des ganzen "Aufwandes"
nutzbringend, d.h. als Nutzleistung oder Nutzenergie
"herauskommt." Siehe Beispiel Glühbirne:
Achtung: Der Wirkungsgrad ist er eine einheitenlose,
relative Grösse! Sie kann nur Werte zwischen 0 und 1
annehmen.
Natürlich kann man auch 0%-100% verwenden,
% ist keine Einheit!
PNutz abgeführt
Definition: η = --------------------Pzugeführt
oder
ENutz abgeführt
η = ------------------------Ezugeführt
Der nicht benötigte oder nicht verwendbare Anteil heisst Verlustleistung bzw. Verlustenergie.
Nutzen" + "Verlust" = 100%
[email protected]