Energieverluste und der Wirkungsgrad von Energiewandlern: Unterschied zwischen den Versionen

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  Bild:Laufende Frau.jpg|Beim Rennen wird es einem ganz schön heiß. (Video: [https://www.planet-schule.de/sf/php/sendungen.php?sendung=6902 Mensch als Kraftmaschine])
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  Bild:Auto Oldtimer Ford T tin lizzie.jpg|Bei der "[https://de.wikipedia.org/wiki/Ford_Modell_T Tin Lizzie]" war der Kühler noch gut sichtbar.
 
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  Bild:Auto Polizei Opel.jpg|Aber auch alle neueren Autos haben vorne einen Kühler.
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  Bild:Kohlekraftwerk Staudinger in Grosskrotzenburg.jpg|Kraftwerke werden häufig in der Nähe von Flüssen oder am Meer gebaut.
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  Bild:Kohlekraftwerk Staudinger in Grosskrotzenburg.jpg|Kraftwerke werden häufig in der Nähe von Flüssen oder am Meer gebaut. ([https://www.google.com/maps/search/kohlekraftwerk+kernkraftwerk/@48.628763,8.0726795,8z/data=!3m1!4b1?entry=ttu&g_ep=EgoyMDI0MTEwNi4wIKXMDSoASAFQAw%3D%3D Karte])
 
  Bild:Kohle Feuer Ofen.jpg|Kohle kann man natürlich auch ohne Kraftwerk in einem Ofen brennen lassen.
 
  Bild:Kohle Feuer Ofen.jpg|Kohle kann man natürlich auch ohne Kraftwerk in einem Ofen brennen lassen.
 
  Bild:Handrührgerät.jpg|Das Handrührgerät hat an der Seite eine Reihe von Schlitzen im Gehäuse.
 
  Bild:Handrührgerät.jpg|Das Handrührgerät hat an der Seite eine Reihe von Schlitzen im Gehäuse.
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Jeder Energieumlader (umwandler) hat einen Kühlausgang, durch den ungenutzte Wärme abgeleitet wird.
 
Jeder Energieumlader (umwandler) hat einen Kühlausgang, durch den ungenutzte Wärme abgeleitet wird.
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;Aufbau
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Man dreht den Dynamo, um die Lampe (6V/30W) zum Leuchten zu bringen und jemand schaltet die Lampe an und aus. (Schließt und öffnet den Stromkreis.)<br>Man fasst mit der Hand an die brennende Lampe.
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;Beobachtung
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Schaltet man die Lampe an, ist es richtig anstrengend die Dynamokurbel zu drehen, schaltet man die Lampe aus, geht es viel leichter, aber man muss immer noch etwas tun, damit sich der Dynamo dreht.<br>Die Lampe wird ziemlich heiß.
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;Erklärung
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Durch das Kurbeln treibt man den Vorgang an und liefert die dazu nötige Energie. Wird die Lampe angeschaltet, so muß man viel Energie liefen, um sie zu betreiben. Ist die Lampe ausgeschaltet, braucht man nur ein bisschen Energie, um die Reibung innerhalb des Dynamos zu überwinden. Durch die Reibung werden die Zahnräder und Achsen erwärmt, wozu man auch Energie benötigt. Der größte Teil der hineingesteckten Energie wird also benutzt um den Strom anzutreiben, aber ein kleinerer Teil wird dazu verwendet den Dynamo zu erwärmen.<br>Auch bei der Lampe wird nicht die gesamte Energie des Stroms zum Erzeugen des Lichts verwendet. Ein Teil der Energie wird auch zur Erwärmung der Lampe verwendet.
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[[Datei:Energieumladekette Dynamo Lampe mit Verlust.png|thumb|left|500px|Von der in den Dynamo hineingesteckten Energie kommen noch 90% mit der Elektrizität bei der Lampe an. Von diesen 90% werden aber nur 5% in das Licht gesteckt: <math>90\% \cdot 5\% = 0{,}90 \cdot 0{,}05 = 0{,}045=4{,}5\%</math> <br>Am Ende gehen nur 4,5% der hineingesteckten Energie mit dem Licht aus der Lampe. (Und wohin transportiert dann das Licht die Energie?)]]
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==Versuch: Dampfmaschine betreibt Solarzelle==
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;Aufbau
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An eine Solarzelle ist ein Elektromotor angeschlossen.
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<br/>Die [[Energiewandler_(Energieumlader)#Versuch:_Eine_Dampfmaschine|Dampfmaschine]] treibt über einen Generator eine Lampe an.
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<br/>Man hält die Solarzelle in das Licht der Lampe und in das Licht der Sonne (oder eines Tageslichtprojektors).
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;Beobachtung
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Der Motor dreht sich nur durch das Licht der Sonne (des Tageslichtprojektors).
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;Folgerung
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Das Licht der Lampe transportiert nicht genügend Energie, um den Motor anzutreiben. Die Dampfmaschine erhält aber viel Energie, was man an der schnellen Bewegung des Kolbens und der Räder sehen kann. Es kommt also die Energie nicht vollständig bei der Solarzelle und dem Elektromotor an. Bei jedem Umlader wird ein Teil der Energie auf einen nicht gewünschten Energieträger umgeladen. So geht Energie "verloren".
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[[Datei:Dampfmaschine Energieumladerkette mit Verlusten sortiert.png|1041px]]
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==Wirkungsgrad==
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Beispiele für Wirkungsgrade<ref>Aus Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Wirkungsgrad#Beispiele Wirkungsgrad</ref>.
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Elektrizität<br/>(elektrische Energie)
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Lautsprecher
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0,3%
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|rowspan="5"|Bewegung<br/>(Bewegungsenergie)
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alter Dampfmotor
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5%
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Mensch
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30%
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Benzinmotor
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35%
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Elektromotor
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95%
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 +
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 +
Glühlampe
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5%
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|rowspan="4"|Licht<br/>(Lichtenergie)
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|-
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Energiesparlampe
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20%
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LED
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 +
40%
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|-
 +
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 +
Glühwürmchen
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 +
90%
 +
|-
 +
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Gasheizung
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85%
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|rowspan="2"|Wärme<br/>(Wärmeenergie)
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Elektroheizung
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100%
 
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**Video: [https://www.youtube.com/watch?v=g--X8lHD9JY Survival - schnellster Bogendrill (Feuerbohrer) Feuermachen in 10 min.] (youtube: von "Kojote-Akademie Ralf Greiner")
 
**Video: [https://www.youtube.com/watch?v=g--X8lHD9JY Survival - schnellster Bogendrill (Feuerbohrer) Feuermachen in 10 min.] (youtube: von "Kojote-Akademie Ralf Greiner")
 
**Video: [https://www.youtube.com/watch?v=GyX3gFiMslA Feuerbohren ganz easy - Neue Technik mit doppelter Spindelführung.] (youtube: von "Buntbär")
 
**Video: [https://www.youtube.com/watch?v=GyX3gFiMslA Feuerbohren ganz easy - Neue Technik mit doppelter Spindelführung.] (youtube: von "Buntbär")
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*[https://www.planet-wissen.de/gesellschaft/essen/vegetarier/#oekologisch Ökologischer Fußabdruck von Vegetariern und Fleischessern] (ARD: Planet Wissen; Gesellschaft, 19.02.2018)
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**[https://de.statista.com/infografik/6488/veganer-mit-guter-oekobilanz/ Veganer haben eine gute Ökobilanz] (Quelle: Öko-Institut, 2013)
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*Elektromobilität und Elektroautos
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**podcast: [https://www.quarks.de/podcast/science-cops-ist-das-e-auto-eine-umweltsau/ Quarks Science Cops Folge 35: Die Akte E-Auto: Eine Katastrophe für die Umwelt?]
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**Video: [https://www.youtube.com/watch?v=dRUbqJFD_EQ Wie umweltfreundlich das Elektroauto wirklich ist] (WDR: Quarks)

Aktuelle Version vom 19. November 2024, 22:04 Uhr

Einführung und Beispiele

  • Beim Rennen wird es einem ganz schön heiß. (Video: Mensch als Kraftmaschine)

  • Zucker kann aber auch außerhalb des Menschen verbrannt werden.

  • Leer.jpg
  • Leer.jpg

  • Bei der "Tin Lizzie" war der Kühler noch gut sichtbar.

  • Aber auch alle neueren Autos haben vorne einen Kühler.

  • Kraftwerke werden häufig in der Nähe von Flüssen oder am Meer gebaut. (Karte)

  • Kohle kann man natürlich auch ohne Kraftwerk in einem Ofen brennen lassen.

  • Das Handrührgerät hat an der Seite eine Reihe von Schlitzen im Gehäuse.

  • Bei einer Bohrmaschine wird durch die Schlitze Luft aus der Maschine herausgeblasen.

  • So sieht die Bohrmaschine Innen aus.

  • So sieht eine elektrische Kochplatte Innen aus.

  • Eine Glühbirne wird so heiß, dass man sich daran verbrennen kann.

  • Eine genauso helle Energiesparlampe wird nicht ganz so heiß.

  • Und eine gleich helle LED-Lampe bleibt ziemlich kalt.

  • Leer.jpg

  • Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von ca. 15%-20%.

  • Das Blockheizkraftwerk in Freiburg-Vauban nutzt "Kraft-Wärme-Kopplung": Es treibt Strom an und heizt die umgebenen Häuser.

  • Das Energieflussbild zeigt wo die Energie hin geht.

  • Dieser elektrische Heizlüfter hat einen Wirkungsgrad von 100%. Sehr effizient!

Bei allen Energieumladern wird nur ein Teil der Energie auf den gewünschten Energieträger umgeladen.
Der Rest wird immer auf Wärme umgeladen.[1]

Je größer der gewünschte Anteil, desto besser funktioniert der Energieumlader (wandler).
Der Wirkungsgrad liegt zwischen 0% und 100%, er gibt an, wie groß der gewünschte Anteil ist.

Jeder Energieumlader (umwandler) hat einen Kühlausgang, durch den ungenutzte Wärme abgeleitet wird.

Energieumlader mit Verlust.png

Versuch: Der Kurbel-Generator II (Dynamot)

Versuchsaufbau Wirbelstrom Dynamo.jpg
Aufbau

Man dreht den Dynamo, um die Lampe (6V/30W) zum Leuchten zu bringen und jemand schaltet die Lampe an und aus. (Schließt und öffnet den Stromkreis.)
Man fasst mit der Hand an die brennende Lampe.

Beobachtung

Schaltet man die Lampe an, ist es richtig anstrengend die Dynamokurbel zu drehen, schaltet man die Lampe aus, geht es viel leichter, aber man muss immer noch etwas tun, damit sich der Dynamo dreht.
Die Lampe wird ziemlich heiß.

Erklärung

Durch das Kurbeln treibt man den Vorgang an und liefert die dazu nötige Energie. Wird die Lampe angeschaltet, so muß man viel Energie liefen, um sie zu betreiben. Ist die Lampe ausgeschaltet, braucht man nur ein bisschen Energie, um die Reibung innerhalb des Dynamos zu überwinden. Durch die Reibung werden die Zahnräder und Achsen erwärmt, wozu man auch Energie benötigt. Der größte Teil der hineingesteckten Energie wird also benutzt um den Strom anzutreiben, aber ein kleinerer Teil wird dazu verwendet den Dynamo zu erwärmen.
Auch bei der Lampe wird nicht die gesamte Energie des Stroms zum Erzeugen des Lichts verwendet. Ein Teil der Energie wird auch zur Erwärmung der Lampe verwendet.

Von der in den Dynamo hineingesteckten Energie kommen noch 90% mit der Elektrizität bei der Lampe an. Von diesen 90% werden aber nur 5% in das Licht gesteckt: [math]90\% \cdot 5\% = 0{,}90 \cdot 0{,}05 = 0{,}045=4{,}5\%[/math]
Am Ende gehen nur 4,5% der hineingesteckten Energie mit dem Licht aus der Lampe. (Und wohin transportiert dann das Licht die Energie?)


Versuch: Dampfmaschine betreibt Solarzelle

Aufbau

An eine Solarzelle ist ein Elektromotor angeschlossen.
Die Dampfmaschine treibt über einen Generator eine Lampe an.
Man hält die Solarzelle in das Licht der Lampe und in das Licht der Sonne (oder eines Tageslichtprojektors).

Beobachtung

Der Motor dreht sich nur durch das Licht der Sonne (des Tageslichtprojektors).

Folgerung

Das Licht der Lampe transportiert nicht genügend Energie, um den Motor anzutreiben. Die Dampfmaschine erhält aber viel Energie, was man an der schnellen Bewegung des Kolbens und der Räder sehen kann. Es kommt also die Energie nicht vollständig bei der Solarzelle und dem Elektromotor an. Bei jedem Umlader wird ein Teil der Energie auf einen nicht gewünschten Energieträger umgeladen. So geht Energie "verloren".

Dampfmaschine Energieumladerkette mit Verlusten sortiert.png

Wirkungsgrad

Beispiele für Wirkungsgrade[2].

Energieumlader
(-wandler)

Wirkungsgrad ca.

Energieabgabe mit
(Energieform)

Pflanze

20%[3]

Holz, Körner,...
(chemische Energie)

Solarzelle

20%

Elektrizität
(elektrische Energie)

Kernkraftwerk

33%

Kohlekraftwerk

35%

Windkraftanlage

50%

Wasserkraftwerk

85%

Generator
(Fahrrad-Nabendynamo)

85%
(60%)

Elektrizität
(elektrische Energie)

Lautsprecher

0,3%

Bewegung
(Bewegungsenergie)

alter Dampfmotor
("Dampfmaschine")

5%

Mensch

30%

Benzinmotor

35%

Elektromotor

95%

Glühlampe

5%

Licht
(Lichtenergie)

Energiesparlampe

20%

LED

40%

Glühwürmchen

90%

Gasheizung

85%

Wärme
(Wärmeenergie)

Elektroheizung

100%

Fußnoten

  1. ↑ Oder: Bei allen Energiewandlern wird nur ein Teil der Energie in die gewünschte Energieform umgewandelt. Der Rest wird immer in Wärmeenergie umgewandelt.
  2. ↑ Aus Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Wirkungsgrad#Beispiele Wirkungsgrad
  3. ↑ Aus Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Photosynthese#Wirkungsgrad

Links

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