Arbeit, Energie und Leistung

Präsentation zum Thema: "Arbeit, Energie und Leistung"—  Präsentation transkript:

1 Arbeit, Energie und Leistung

2 Arbeit

3 Arbeit bei mechanischen Vorgängen
Arbeit entsteht, wenn mit Hilfe einer Kraft ein Weg zurückgelegt wird. Arbeit = Kraft in Richtung des Weges · Weg Arbeit Arbeit und Drehmoment haben beide die Einheit [Nm]. Arbeit ist ein skalare Größe, Drehmoment ein Vektorprodukt. Arbeit und Drehmoment lassen sich nicht ineinander umrechnen.

4 Arbeit bei mechanischen Vorgängen
Reibarbeit Hubarbeit W = mg · h [Nm, J] = G · h F Kraftmesser α FR Fz Fz Arbeit einer Zugkraft Projektion der Kraft auf die Bewegungsrichtung G G h W = G · s G h Arbeitsdiagramm für konstante Kraft

5 Arbeit bei mechanischen Vorgängen
Dehnungsarbeit einer Feder Dehnungsarbeit einer elastischen Feder Beschleunigungsarbeit Eine Masse m wird auf der Wegstrecke s mit der Kraft F = m · a beschleunigt. Mit den Gleichungen und ergibt sich F Die zur Dehnung notwendige Kraft ist proportional zum Federweg. In diesem Fall ist der Mittelwert vom Endwert der Spannkraft F anzusetzen. Δw F Δs s Hookesches Gesetz [N m, J] [N m] Beschleunigungsarbeit [N m] Beschleunigungsarbeit

6 Energie

7 Energie allgemein Die Energie ist eine fundamentale physikalische Größe. Sie spielt in der Physik, Chemie, Technik und Natur eine zentrale Rolle. Energieformen sind z.B. Wärmeenergie, elektrische Energie, chemische Energie, Kernenergie, mechanische Energie. Durch Wandlung von Energie besteht die Möglichkeit, Arbeit zu verrichten.

8 Wandlung von Energie Beispiele für die Wandlung von Energieformen Glühlampe: Elektrische Strahlungs- und therm. Energie Energie Gasheizung: Chemische Thermische Energie Energie Kohlekraftwerk: Chemische Thermische und elektr.

9 Primärenergie Als Primärenergie bezeichnet man die Energie, die mit den natürlich vorkommenden Energieformen oder Energieträgern zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu spricht man von Sekundärenergieträgern, wenn diese erst im Verlaufe eines Energieflusses durch einen (mit Verlusten behafteten) Umwandlungsprozess aus der Primärenergie gewandelt werden. Die nach evtl. weiteren Umwandlungs- oder Übertragungsverlusten vom Verbraucher nutzbare Energiemenge bezeichnet man schließlich als Endenergie. primäre Energieträger fossile Energie (Steinkohle, Braunkohle, Torf, Erdgas, Erdöl) Biomasse Windenergie (atmosphärische Strömungen) Wasserkraft Sonnenenergie (nutzbare solare Energieeinstrahlung: Licht, Wärme) Kernenergie Gezeiten (Tidenhub) Geothermie (Erdwärme) Wellenkraft (Wellenkraftwerk) Meeresströmung (Meeresströmungskraftwerk)

10 Sekundärenergien Sekundärenergien sind die nach der Umwandlung der Primärenergieträge in sog.. Nutzenergieträger verbleibende Energieformen. sekundäre Energieträger Elektrischer Strom Heizöl, Benzin, Dieselöl, Briketts, Flüssiggas Fernwärme Prozessgase (Chemische Industrie)

11 Endenergie und Nutzenergie
Als Endenergie bezeichnet man denjenigen Teil der Primärenergie, welcher dem Verbraucher, nach Abzug von Transport- und Umwandlungsverlusten, zur Verfügung steht. Die Nutzenergie ist diejenige Energie, die dem Endnutzer für die gewünschte Energiedienstleistung zur Verfügung steht. Durch die Anwendung oder evtl. auch die Umwandlung von Endenergie gewinnt der Verbraucher Nutzenergie zur Befriedigung seiner Bedürfnisse. Mögliche Formen der Nutzenergie sind Wärme, Kälte, Licht, mechanische Arbeit oder Schallwellen. Die Nutzenergie ist in den meisten Fällen kleiner als die Endenergie, da bei der Energieumwandlung Verluste auftreten. Beispielsweise erzeugt eine Glühbirne nicht nur Licht, sondern strahlt den größten Teil der eingesetzten Energie in Form von Wärme ab.

12 Beispiele für Prozesse der Energiewandlung
Primär Energie Sekundär Energie Endenergie Nutzenergie Kohle Strom Wärme Licht Erdöl Strom Wärme Biomasse Strom Wärme Licht Wärme

13 Potentielle Energie Die Energieformen Lageenergie und Spannungsenergie zählen zur potentiellen Energie. Lageenergie Arbeitsfähigkeit eines gehobenen Körpers Spannungsenergie Arbeitsfähigkeit einer gespannten Feder [N m, J]

14 Kinetische Energie Die Energieformen Translationsenergie und Rotationsenergie zählen zur kinetischen Energie. Translationsenergie Rotationsenergie Trägheitsmoment einer Scheibe [N m, J] r m

15 Energieerhaltungssatz
In einem abgeschlossenen System kann die Gesamtenergie , die sich aus unterschiedlichen Energieformen zusammensetzt, weder vermehrt noch vermindert werden. Energie kann nur umgewandelt werden. Epot + Ekin + Erot = const Energiewandlung am Maxwellschen Rad Lage- energie Bewegungs- energie

16 Energiebilanz am Traktor
Energieträger Kraftstoff 100% 30% Abgase Kühlung 30% Getriebe/Mechanik 10% nutzbare Energie 20% Bereifung 10% für die Aufteilung wurden grobe Richtwerte angenommen, die aus den verschiedensten Quellen stammen

17 Leistung

18 Leistung Zur Bewertung von Vorgängen kommt es darauf an, innerhalb welcher Zeit eine bestimmte Arbeit verrichtet wird. Leistung bei geradliniger Bewegung Leistung bei rotierender Bewegung

19 Pferdestärke Die Pferdestärke ist die veraltete, jedoch im Alltag noch häufig verwendete Einheit der Leistung. Sie wird allerdings fast nur noch in Verbindung mit Fahrzeugen (Verbrennungsmotoren) gebraucht, wobei i.d.R. beide Werte für die Leistung kW und PS angegeben werden. Für Elektromotoren und Hydraulikmotoren wird ausschließlich nur die Einheit kW verwendet. Die Bezeichnung Pferdestärke wurde von James Watt eingeführt. James Watt (* 1736, † 1819) war ein englischer Erfinder, er entwickelte die Dampfmaschine und führte sie einer industriellen Nutzung zu. Definition der Pferdestärke Ein Pferd, das ein Gewicht von 75 kg in 1 Sekunde um 1m anhebt, leistet 1 PS. 1 KW = 1,36 PS 1 PS = 0,735 KW Quelle: Wikipedia / Sgbeer

20 Leistungsgewicht Das Leistungsgewicht ist der Quotient aus der Masse und der Leistung eines Antriebssystems. Bei der eingesetzten Masse gibt es verschiedene Arten der Bezugsgrößen. Beim Vergleich von verschiedenen Antriebssystemen wie beispielsweise Hydraulikmotor und Elektromotor wird nur das reine Motorgewicht berücksichtigt. Bei Fahrzeugen wie beispielsweise Traktoren wird das gesamte Fahrzeug berücksichtigt.

21 Vergleich der Leistungsgewichte
Leistung: P = 150 PS / 110 kW Eigengewicht: m = 20 t Leistungsgewicht : ML = 133 kg / PS ML = 181 kg / kW Leistung: P = 300 PS / 220 kW Eigengewicht: m = 10 t Leistungsgewicht : ML = 33 kg / PS ML = 46 kg / kW

22 Energie – Aufgabe Ein Stein mit einer Masse von 10 kg fällt in einen Brunnen. Nach exakt 4 s berührt der Stein die Wasseroberfläche. Wie tief ist der Brunnen? Welche Geschwindigkeit hat der Stein beim Aufprall auf die Wasseroberfläche? h = m v = m/s

23 Energie – Aufgabe Welche potenzielle Energie hatte der Stein bezüglich der Wasseroberfläche? Welche kinetische Energie hatte der Stein beim Aufprall auf die Wasseroberfläche? Epot = kJ Ekin = kJ