Telekolleg - Informatik


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Technologie - 1. Energieumwandlungen 3. Energieübertragung

Bei Energieübertragungssystemen spielen folgende Sätze eine zentrale Rolle: der Energieerhaltungssatz und der Erste Hauptsatz der Wärmelehre. Was hat es damit auf sich?

Stand: 18.04.2017

Einer der bekanntesten Sätze der Physik ist der Energieerhaltungssatz:

Der Energieerhaltungssatz:

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden.

Wenn ein Hüpfball fallengelassen wird, dann wächst mit abnehmender Höhe die Geschwindigkeit des Balls. Seine anfängliche Lageenergie nimmt ab, seine Bewegungsenergie nimmt zu. Wegen der Energieerhaltung gilt zu jedem Zeitpunkt: Die Summe aus Lageenergie plus Bewegungsenergie ist konstant gleich der Lageenergie am Start. Kurz vor dem Auftreffen am Boden nimmt die Geschwindigkeit ihren maximalen Wert an. Dann liegt die gesamte Energie als Bewegungsenergie vor. Eine winzige Zeiteinheit später ist jedoch die Geschwindigkeit für einen Moment gleich null. Damit gibt es jetzt weder Lage- noch Bewegungsenergie. Die Energie ist dann im verformten Gummi gespeichert. Es handelt sich um Verformungsenergie.

In der Realität erreicht der Hüpfball nach dem Aufprallen nicht mehr die ursprüngliche Höhe.

Modell für die Verformungsvorgänge in einem elastischen Hüpfball

Trotzdem gilt das Prinzip der Energieerhaltung - Energie verschwindet nie. In einem Modell für den elastischen Hüpfball stellen elastische Federn und Kugeln die Gummimoleküle dar. Wenn der Ball am Boden aufprallt, dann liegt Bewegungsenergie und Verformungsenergie vor. Bei den unzähligen Molekülen entsteht eine chaotische Bewegung in alle möglichen Richtungen.

Die ungerichtete innere Energie des Hüpfballs entspricht einer Zunahme an Wärmeenergie.

Deshalb kann die zwischengespeicherte Energie nicht mehr vollständig in Bewegung nach oben umgesetzt werden. Die zurück bleibende "innere Energie" der Moleküle ist Wärme! Die Temperatur des Gummiballs hat sich erhöht. Der Erste Hauptsatz der Wärmelehre besagt:

Der Erste Hauptsatz der Wärmelehre:

Die Gesamtgröße der Energie bleibt bei allen Umwandlungen erhalten.

Eines der größten Wasserkraftwerke der Welt: Itaipu am Rio Paraña in Südamerika

Nun folgt ein Streifzug durch verschiedene Energiearten und ihre Eigenschaften: Das große Wasserkraftwerk Itaipu in Brasilien nutzt die riesige Wassermenge des Parana Flusses. Seine Leistung beträgt 13 Milliarden Watt, das sind 13 Gigawatt (= 13·109 W). Während eines Tages wird im Mittel eine kaum vorstellbaren Lageenergie von 1 Mio GJ (= 1·1015 J) in elektrische Energie umgewandelt.

Eine typische Autobatterie speichert ca. 2 MJ

Ein Akku für einen PKW speichert eine Energie von etwa 2 Millionen Joule, das sind 2 Megajoule (= 2·106 J). Eine Leistung von 100 W hält der Akku etwa 5 Stunden durch, dann muss er wieder aufgeladen werden.

Warmwasserspeicher eines Einfamilienhauses

Als drittes Beispiel wird die Energieform Wärme betrachtet. In einem Warmwasserspeicher der Größe 300 Liter ist eine Innere Energie von etwa 50 Mio. Joule (= 50·106 J) gespeichert, das Äquivalent von 25 Pkw-Akkus. Wenn diese Energiemenge innerhalb eines Tages verwendet wird, dann entspricht dies einer mittleren Wärmeleistung von 600 Watt. In der technischen Praxis wird eine Energieumwandlung oft mithilfe eines Wirkungsgrades charakterisiert:

Formel zum Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad η beträgt Enutz geteilt durch Ezu

Im Vergleich einer klassischen Glühlampe der Leistung 60 W und einer gleich hellen Energiesparlampe benötigt letztere für die gleiche Lichtenergie nur etwa 12 W, also ein Fünftel der Energiezufuhr einer Glühlampe; der Wirkungsgrad der Energiesparlampe ist deshalb etwa fünfmal so groß.


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