Energie - Arbeit, Energie, Energiesatz

Compendio „Energie & Wärmelehre“ –
Teile A & B: Energie, Energieumwandlungen
Zusammenfassung
1) Arbeit W (engl. work):
- Physikalisch wird Arbeit verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt wird
(Kraft F erzeugt Wegverschiebung s ).
- Es gilt: W = Fll ⋅ s = F ⋅ s = F ⋅ s ⋅ cosα wobei α: Zwischenwinkel von F und s
Fll: Kraftanteil in Richtung des Weges
- Einheit der Arbeit: 1 N⋅m = 1 Joule = 1 J
- Einige Arbeitsformen:
È Anheben einer Masse (Hubarbeit): W = m ⋅ g ⋅ h
È Beschleunigen einer Masse (Beschleunigungsarbeit): W =
1
⋅ m ⋅ v2
2
È Reibungsarbeit: W = F R ⋅s = µ ⋅ FN ⋅ s
È Spannen einer Feder: W =
1
⋅ D ⋅ s2 mit D: Federkonstante
2
2) Energie, Energieaustausch:
- Energie = „Kapital“ eines Körpers; gespeicherte(s) Arbeit(svermögen) in einem System; besitzt ein Körper Energie, so hat er die Fähigkeit Arbeit zu verrichten
- Wird Arbeit verrichtet, so findet ein Austausch von Energie statt (Bsp: Körper 1 verrichtet Arbeit an Körper 2 → Die Energie von Körper 1 nimmt ab, die Energie von Körper 2
nimmt zu).
- Einige Energieformen:
È Lageenergie (potentielle Energie): Epot = m ⋅ g ⋅ h
È Bewegungsenergie (kinetische Energie): Ekin =
1
⋅ m ⋅ v2
2
1
2
È Elastische Energie/Deformationsenergie (potentielle Energie): Eelast = ⋅ D ⋅ s
2
3) Leistung P (engl. power):
Arbeit W
W
J
Leistung P =
⇒ P=
⇒ P = = 1 Watt = 1 W
benötigte Zeit t
t
s
Compendio „Energie & Wärmelehre“ – A/B: Energie(-umwandlungen) - Zusammenfassung
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4) Energiesatz, Wirkungsgrad:
- Energie entsteht nicht aus dem Nichts, Energie kann aber auch nicht vernichtet werden (Energie geht nicht verloren !). Energie wird beim Verrichten von Arbeit von einer
Form in eine andere umgewandelt (Umwandlung der verschiedenen Energieformen
ineinander möglich).
- Wirkungsgrad η: Mit dem Wirkungsgrad drückt man die Effizienz einer Energieumwandlung aus. Er wird definiert als Verhältnis von erwünschter abgegebener EnerEab
(η=1 ≡ 100%)
gie Eab zu benötigter zugeführter Energie Ezu: η =
E zu
- Energiesatz der Mechanik:
È Bei einem abgeschlossenen System (keine Energiezu- oder -abfuhr): Die Summe
aus Epot und Ekin konstant.
Etotal = Epot + Ekin = konstant oder Epot,1 + Ekin,1 = Epot,2 + Ekin,2
È Bei einem offenen System (Energieaustausch mit Umgebung, Arbeitsverrichtung W):
Etotal,2 = E total,1 + W oder Epot,1 + Ekin,1 + W = Epot,2 + Ekin,2
Falls W > 0: Am System wird Arbeit verrichtet, die Energie nimmt zu; falls W < 0: Das
System verrichtet Arbeit, die Gesamtenergie nimmt ab
- Energiesatz allgemein:
Etotal = Epot + Ekin + E Wärme + Echemisch + Eelektr. + ... = konstant
5) Flaschenzug, Hebel (ein-/zweiseitig):
- Flaschenzug, Hebel und hydraulische Pressen sind Kraftwandler, Arbeit kann mit diesen aber nicht eingespart werden: Was an Kraft eingespart wird, schlägt sich beim
Weg dazu !
- Zugkraft F beim Flaschenzug: F = FG / (Anzahl tragende Seile)
- Hebel: feste Achse mit Drehpunkt
Hebelgesetz: Kraft ⋅ Kraftarm = Last ⋅ Lastarm ⇒ F1 ⋅ l 1 = F2 ⋅ l 2
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