Fragen_Aufgaben_3A

Fragen/Aufgaben 3A
Energie 1: Prozessleistung und Energietransporte
Fragen
1. (a) Welche Prozesse werden durch eine ideale Turbine miteinander gekoppelt?
(b) Zeichnen Sie das Prozessdiagramm einer idealen Turbine. (c) Wie unterscheidet es sich vom Diagramm einer idealen Pumpe?
2. Zeichnen Sie das Prozessdiagramm einer elektrisch betriebenen realen Pumpe.
(a) Kann man alle Ströme einer realen Pumpe umkehren? (b) Was für ein
System ist die Umkehrung? (c) Wie definiert man den Wirkungsgrad der
Pumpe?
3. Wasser wird in den Tank auf der Spitze eines hohen Turmes gepumpt. (a) Um
welche Vorgänge handelt es sich hier? (b) Welche Vorgänge werden gekoppelt? (c) Welcher treibt welchen an?
4. Erklären Sie die Funktionsweise der folgenden Geräte vom Systemstandpunkt:
(a) Eine Glühbirne. (b) Eine Solarzelle. (c) Eine Brennstoffzelle. (d) Ein
Verbrennungsmotor.
5. Beschreiben Sie die Freisetzung/Bindung von Energie im elektrischen Prozess
in einem Tauchsieder, einer Batterie und einem elektrischen Motor. Zeichnen
Sie Prozessdiagramme. Welche Prozesse werden in diesen Geräten gekoppelt?
Welcher Prozess ist der treibende? Welcher ist der angetriebene?
6. In einem Vorgang ist die (schwere) Masse der Energieträger. Um was für einen Vorgang handelt es sich? Geben Sie Beispiele für solche Vorgänge.
7. Heizöl fliesst in einen Tank. Um welchen Prozess handelt es sich? Was ist der
Energieträger?
8. Zeichnen Sie die Prozessdiagramme für Volumenströme und Energie für (a)
eine Pumpe, (b) eine Turbine, (c) ein Rohr.
9. Heisses Wasser befindet sich in einem Metallbehälter. (a) Was ist der Träger
der Energie beim Fliessen von Wärme aus dem Wasser durch die Gefässwand
an die Umgebung? (b) Was ist das Niveau (Potential) bei diesem Vorgang? (c)
Wie sieht das Prozessdiagramm der Gefässwand aus?
10. Beim Treten eines Fahrrads fliesst Energie durch die Kette auf das Hinterrad.
(a) Was ist der Energieträger? (b) Was ist das Potential bei diesem Vorgang?
11. Erklären Sie, wie sich die Energieerhaltung bei folgenden Vorgängen zeigt:
(a) Betrieb eines Automotors. (b) Betrieb einer Bohrmaschine. (c) Heizen von
Teewasser in einem Glas. (d) Elektrolyse von Wasser.
12. Zeichnen Sie Prozessdiagramme für folgende Prozessketten: (a) Turbine und
Generator. (b) Batterie und Glühlampe. (c) Turbine, Generator, Elektromotor.
13. Zeichnen Sie Prozessdiagramme und identifizieren Sie die Grösse die gemeint
ist: (a) Die elektrische Leistung eines elektrischen Motors. (b) Die elektrische
Leistung eines Generators. (c) Der hydraulische Energiestrom einer Turbine.
(d) Der hydraulische Energiestrom einer Pumpe. (e) Der thermische Energiestrom einer nicht idealen Turbine. (f) Die thermische Leistung eines elektri-
schen Widerstands. (g) Die elektrische Leistung einer realen Batterie. (h) Der
thermische Energiestrom eines Ofens. (i) Der mechanische Energiestrom beim
Stossen eines Körpers. (j) Die mechanische Leistung bei der Reibung eines
Klotzes auf einer Unterlage.
Aufgaben
1. Stellen Sie sich einen Wasserfall vor. Nehmen Sie einen Wasserstrom und
eine Fallhöhe an. Wie gross ist die Gravitationsleistung dieses Wasserfalls?
Wieviel gibt das bei den Niagarafällen?
2. Man sagt, eine Person brauche pro Tag etwa 2000 Kalorien Energie (tatsächlich ist hier 1 Kalorie gleich 1 Kilokalorie; der Energieinhalt von 1 g Wasser
steigt um 1 Kalorie, wenn das Wasser 1°C wärmer wird). Wie gross ist demnach der mittlere Energieumsatz (gebrauchte oder freigesetzte Energie pro Sekunde)?
3. Ein Auto fährt eine Stunde lang mit konstanter Geschwindigkeit von 120
km/h. Dabei hat der Motor eine mechanische Leistung von 50 PS (1 PS = 0.75
kW). Auf 100 km braucht das Auto 10 Liter Benzin. Ein Liter Benzin setzt
etwa 35 MJ Energie frei. Wie gross ist der Wirkungsgrad des Motors?
4. Ein Tauchsieder soll eine Leistung von 300 W haben. Wie gross wird der
elektrische Strom bei einer Spannung von 110 V?
5. Wie gross ist der Widerstand einer 100 W Lampe, die bei 220V angeschlossen
ist? Ist der Widerstand anders, wenn sie bei 150 V angeschlossen ist?
6. Wasser fliesst bei einem Druck von 5.0 bar in eine Turbine. Wie gross muss
man den Volumenstrom machen, damit der zugehörige Energiestrom des
Wassers 1.0 MW beträgt?
7. In ein Gebäude fällt Sonnenschein. Deswegen wird Energie mit einer Rate von
20 kW absorbiert. Wieviel Energie absorbiert das Gebäude in 10 Minuten?
8. Auf einen Sonnenkollektor fällt im Laufe eines Tages Sonnenlicht mit einem
Energiestrom, der sich nach der Formel
IW ( t ) = Asin ( bt )
A = 1200 W , b = 10 -4 s -1
verhält. Wieviel Energie ist auf den Kollektor innerhalb von 30000 s gefallen?
9. Das Kernkraftwerk Leibstadt hat eine elektrische Leistung von 1.15 GW und
einen Wirkungsgrad von 33%. Wie gross ist demnach der Energiestrom vom
Reaktor zum Kraftwerk?
10. Die hydraulische Leistung einer Pumpe ist 20 kW. Sie hat einen Wirkungsgrad von 85%. Das Wasser fliesst mit einem Volumenstrom von 100 l/s bei
einem Druck von 2.0 bar in die Pumpe. (a) Wie gross ist die elektrische Antriebsleistung? (b) Wie gross ist der Druck des austretenden Wassers? (c) Wie
gross ist der Energiestrom, der zum austretenden Wasserstrom gehört?
11. Ein Elektromotor treibt eine Pumpe. Motor und Pumpe haben zusammen
einen Wirkungsgrad von 80%. Man will einen Wasserstrom von 0.020 m^3/s
10 m hoch pumpen. Wie gross muss der elektrische Strom für den Antrieb bei
220 V mindestens sein? Muss er eventuell grösser sein?
12. Bei einem laufenden Elektromotor misst man eine Spannung von 210 V und
eine Stromstärke von 4.0 A. (a) Wie gross ist die elektrische Leistung des
Motors? (b) Wofür wird die freigesetzte Energie gebraucht?
13. Der Innenwiderstand eines Elektromotors beträgt 10 Ohm. Bei einer Spannung von 100 V fliesst ein elektrischer Strom von 2.0 A durch den Motor. Wie
gross ist der Wirkungsgrad des Motors?
14. Eine Batterie hat eine Leerlaufspannung von 4.5 V. Wenn ein kleiner Motor
angeschlossen ist, zeigt sie eine Spannung von 4.0 V. Die im Stromkreis
gemessene Stromstärke ist 0.60 A. (a) Mit welcher Rate wird in der Batterie
Energie frei-gesetzt? (b) Was passiert mit der in der Batterie freigesetzten
Energie? Wie gross ist der Energiestrom, den die Batterie mit der elektrischen
Ladung abgibt? (c) Wie gross ist die elektrische Leistung des Motors?
Antworten
1. (a) Kopplung: Hydraulisch mit Rotation. (c) Umkehrung der Vorgänge.
2. (a) Nein, die Produktion des Wärmestoffs und sein Abfliessen kann man nicht
umkehren. (b) Reale Turbine. (c) Nutzleistung (hydraulische Leistung) geteilt
durch Leistung des antreibenden Prozesses (elektrische Leistung).
3. (a) Elektrisch, Gravitation, (thermisch). (c) Elektrischer Vorgang treibt Gravitationsvorgang an.
4. …
5. Tauchsieder: elektrisch (treibend) und thermisch (angetrieben); Batterie: chemisch (treibend) und elektrisch (angetrieben); elektrischer Motor: elektrisch
(treibend) und Rotation (angetrieben).
6. Gravitation. Wasserfall, aufsteigender Ballon…
7. Chemischer Prozess. Stoffmenge.
8. …
9. (a) Wärmestoff (Entropie). (b) Temperatur.
10. (a) Impuls. (b) Geschwindigkeit.
11. (a) Energiezufuhr: chemisch, Energieabfuhr: thermisch und mechanisch. (b)
Energiezufuhr: elektrisch, Energieabfuhr: mechanisch (und thermisch). (c)
Energiezufuhr: elektrisch, Energieabfuhr: thermisch. (d) Energiezufuhr:
elektrisch, Energieabfuhr: chemisch (und thermisch).
12. …
13. …
Lösungen
1. Fallhöhe mal Gravitationsfeldstärke mal Massenstrom. Daten für Nigarafälle
aus Internet holen.
2. 100 W.
3. 30%.
4. 2.73 A.
5. 484 Ohm; ja, wegen geringerer Erwärmung.
6. 2.0 m^3/s.
7. 12 MJ.
8. 24 MJ.
9. 3.5 GW.
10. (a) 23.5 kW. (b) 4 bar. (c) 40 kW.
11. 11.4 A; ja, wegen Reibung im Rohr und Beschleunigung des Wassers.
12. (a) 840 W. (b) Antrieb des Stroms von Drall.
13. 0.80.
14. (a) 2.7 W. (b) Teil für Produktion von Entropie; anderer Teil für Antrieb des
elektrischen Prozesses: 2.4 W. (c) 2.4 W.