Energie, Arbeit, Leistung in der Gerätekunde

Energie, Arbeit, Leistung
Gerätekunde am Berufskolleg

In der Gerätekunde erleichtern Geräte unsere Arbeit, zudem brauchen viele Geräte elektrische Energie. Z. B. Waschmaschine, Spülmaschine, Kaffeemaschine etc. Deshalb erkläre ich im Folgenden die Begriffe Energie, Arbeit und Leistung.

Was ist Energie:

Physikalische Systeme oder chemische Stoffe beinhalten Energie, wenn sie imstande sind, Arbeit zu verrichten.
Wenn ihr mehr darüber wissen wollte, könnt ihr in meinem Beitrag Bewegung und Energie nachlesen.
Also müssen wir uns noch anschauen, was Arbeit ist. Dabei gibt es verschiedene Arten von Arbeit:

Mechanische Arbeit:

f_001

Diese Arbeit kann man berechnen, zum Beispiel:

Welche Arbeit in kWh verrichtet jemand, der einen Schlitten mit der konstanten Kraft F = 200 N eine Strecke von 5,4 km zieht?

Hierzu die Rechnung:

f_002

Schließlich müssen wir noch den nächsten Begriff definieren:

Leistung

Dabei geht es darum, welche Arbeit in einer bestimmten Zeit verrichtet wird. Hierzu die Formel:

f_003

Das können wir wieder rechnen, z. B.:

Welche Leistung in W verrichtet jemand, der den Schlitten aus Beispiel 1 in 2 Stunden 5,4 km weit zieht?

Wenn ihr mehr darüber wissen wollte, könnt ihr in meinem Beitrag Leistung und Energie nachlesen.

Rechnung:

f_004

Ein Maurer, der Steine mit einem Seil, das über eine Rolle läuft auf ein Gerüst befördert, verrichtet auch Arbeit. Diese Arbeit nennen wir Hubarbeit.



Hubarbeit:

f_005

Beispiel:

Ein Maurer transportiert 2000 kg Steine mit Seil und Rolle auf ein 12 m hohes Gerüst.
Welche Hubarbeit verrichtet er dabei?

Rechnung:

f_006

Bemerkung:

Die Arbeit, die der Maurer an den Steinen verrichtet, ist in diesen in Form von Potentieller Energie gespeichert.
(Das merkt man z. B. an der zerstörerischen Kraft der Steine, wenn diese wieder herunterfallen).

Jeder Gegenstand, der sich bewegt, hat Bewegungsenergie.
Man denke z. B. an ein mit hoher Geschwindigkeit fahrendes Auto, das gegen einen Baum rast.

Hierzu könnt ihr noch mehr in meinem Beitrag Arbeit und Arbeitsformen nachlesen.

Bewegungsenergie:

f_007

Beispiel:

Ein Auto der Masse m = 1000 kg prallt mit einer Geschwindigkeit von 50 m/s (180 km/h) auf einen Baum.
Welche Bewegungsenergie hatte das Auto?

Rechnung:

f_008

Wenn ihr mehr zur Bewegungsenergie lesen wollt, findet ihr es in meinem Beitrag Bewegung und Energie.

Bei den oben beschriebenen Energiearten handelt es sich um Mechanische Energie.
Des weiteren gibt es noch:

Elektrische Energie
E-Herd, Küchenmaschine, Kühlschrank
Wärmeenergie
Warmwasserbereitung, Kochen, Backen
Chemische Energie
Energie in den Brennstoffen, Kohle, Erdöl, Erdgas
Kernenergie
Bindungsenergie von Kernbausteinen
Licht
Photovoltaik, Photosynthese

Für all diese Energien gilt der Energieerhaltungssatz:

Energie ist eine Erhaltungsgröße.
Sie kann in einem abgeschlossenen System weder erzeugt werden noch verloren gehen, sondern nur von einer Form in andere Formen umgewandelt werden.
Mit anderen Worten: Es gibt kein Perpetuum Mobile, das fortwährend Energie abgibt, ohne selbst Antriebsenergie zu benötigen.




Der Wirkungsgrad

Energie geht nicht verloren, sie kann allerdings umgewandelt werden. Vor allem wird ein Teil der Energie oft in Wärme umgewandelt, z. B. durch Reibung. Das will man nicht, kann man aber nicht verhindern. Deshalb misst man den Wirkungsgrad von Anlagen.

Wirkungsgrad:

f_009

Da die Nutzenergie immer geringer ist als der Energieaufwand,
bewegt sich der Wirkungsgrad immer zwischen Null und Eins oder zwischen 0% bis 100%.

Beispiel:

Das in einem Kaminofen verbrannte Holz (ca. 10 kg) hatte einen Heizwert von 160.000 kJ.
Von der dadurch entstandenen Wärme wurden 60.000 kJ durch den Kamin abgegeben.
Wie hoch war dabei der Wirkungsgrad des Kamins?

Rechnung:

f_010

Hier einige Wirkungsgrade im Vergleich:

Gerät Wirkungsgrad in %
Generator, Elektromotor 95
Wasserturbine 90
Akkumulator 70
Haushaltskohleofen 60
Elektrisches Handrührgerät 50
Kohlekraftwerk, Kernkraftwerk 36
Flugzeug – Gasturbine 35
Benzinmotor 25
Leuchtstofflampe 20
Solarzelle 12
Dampflokomotive 8
Glühlampe 2

Ergänzungen zum Wirkungsgrad

Bei einem elektrischen Handrührgerät zum Beispiel wird mehr als die Hälfte der zugeführten elektrischen Energie in den Motorwicklungen und durch Getriebereibung in Wärme umgesetzt.
Das heißt, ein Wirkungsgrad von 100% ergibt sich nur, wenn mechanische oder elektrische Energie ausschließlich in Wärme überführt wird. In Kraftwerken geht ein Teil der Brennstoffenergie immer in Wärme verloren.

Ein hoher Wirkungsgrad schont außerdem die Umwelt. Denn jede Verbrennung setzt Kohlenstoffdioxid frei und das fördert den Treibhauseffekt und somit den Klimawandel. Der Einsatz von Kernbrennstoffen für die Stromerzeugung ist vom Prinzip her nicht treibhauswirksam, bringt dafür aber andere Risiken.

Mehr hierzu habe ich in dem Beitrag Die elektrische Energieversorgung erklärt.




Weitere Begriffe

Energieträger
sind Stoffe, die Energie freisetzen können.
Primärenergie
ist Energie in der ursprünglichen Form, wie sie die Natur bereitstellt.
Primärenergieträger sind z.B. die fossilen Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas, Solarenergie, Wind- und Wasserkraft.
Sekundärenergie
wird erst durch Umwandlungsprozesse (etwa die Stromerzeugung) aus Primärenergie gewonnen.
Das sind z. B. neben elektrischem Strom auch Raffinerieprodukte wie Benzin oder Dieselkraftstoff.
Endenergie
bezeichnet die Energieform, die letztlich beim Verbraucher zum Einsatz kommt.
Es kann sich dabei um Primärenergie oder um Sekundärenergie handeln.
Brennwert
eines Brennstoffes gibt an, welche Wärmeenergie (nicht elektrische Energie) bei vollständiger Verbrennung einer bestimmten Menge dieses Stoffes frei wird.
Steinkohleneinheiten (SKE)
Energiebedarfswerte werden in der Energiewirtschaft häufig in Steinkohlen – Einheiten (SKE) angegeben.
Der SKE – Faktor besagt, wie viel kg Steinkohle energetisch einem Kilogramm des jeweiligen Brennstoffes entsprechen.

Vergleich zwischen Menge, Heizwert und SKE von Energieträgern
Steinkohle Braunkohle Brennholz Benzin Heizöl Erdgas Propangas
Menge 1 kg 1,0 kg 1 kg 1,0 Liter 1 Liter 1,0 m3 1 m3
Heizwert 8,14 kWh 2,3 kWh 4,0 kWh 9,1 kWh 9,8 kWh 9 – 11,5 kWh 28,7 kWh
SKE – Faktor 1,00 0,28 0,49 1,49 1,46 1,1 – 1,4 1,57

Ergänzungen zum Energieeinsatz

Wir sollten auch sparsam mit Energie umgehen, weil die Vorräte Öl und sogar Uran für die Atomkraftwerke bald erschöpft sind. Die einzigen Energieformen, die uns immer zur Verfügung stehen werden, sind Solarenergie, Wind- und Wasserkraft so wie Erdwärme. Deshalb nennt man diese Energieformene regenerativ, das heißt nämlich: nicht erschöpfbar.

Außerdem sollten wir daran denken, dass die Entwicklungsländer, in denen 80% der Weltbevölkerung leben, heute nur 20% des Primärenergiebedarfs beanspruchen.

Die privaten Haushalte verbrauchen mehr als ein Drittel der gesamten Energie. Dabei verbrauchen die Raumheizung und die Autos am meisten, desweiteren die Warmwasserzubereitung sowie Kühlen und Gefrieren. Im hauswirtschaftlichen Bereich wird am meisten Energie beim Heizen gebraucht, die mechanische Arbeit kann man vernachlässigen. Zum Beispiel braucht eine Waschmaschine, die nur mit 30° C Wasser statt mit 60° C wäscht, viel weniger Energie, selbst wenn sie dafür länger wäscht.

Hier finden Sie Aufgaben zum Energieeinsatz im Haushalt.

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