Energie, Arbeit und Leistung

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

1 Energie, Arbeit und Leistung

2 Energie

3 Energie allgemein Die Energie ist eine fundamentale physikalische Größe. Sie spielt in der Physik, Chemie, Technik und Natur eine zentrale Rolle. Durch Wandlung von Energie besteht die Möglichkeit, Arbeit zu verrichten. Hauptsatz der Thermodynamik Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist eine besondere Form des Energieerhaltungssatzes der Mechanik. Er sagt aus, dass Energien ineinander umwandelbar sind, aber nicht gebildet, bzw. vernichtet werden können. 2. Hauptsatz der Thermodynamik Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik macht eine Aussage über die Richtung der Energieübertragung bei Vorgängen. Wärme geht niemals von selbst von einem Körper niedriger Temperatur zu einem Körper höherer Temperatur über.

4 Energieträger und Energieformen
Primärenergie/Energieträger (physik. Einheit: kg) Materie/Masse, mit der sich durch chemische oder physikalische Prozesse technisch verwertbare Energieformen zur Verfügung stellen lassen. Chemischer Prozess Verbrennung, Batterie Physikalischer Prozess Kernspaltung, Kernfusion Sekundärenergie (physik. Einheit: Nm, J) Nach dem Umwandlungsprozess entstandene Energieform, die vom Verbraucher genutzt werden kann. Endenergie (physik. Einheit: Nm, J) Energieform, welche dem Verbraucher, nach Abzug von Transport- und Umwandlungsverlusten, zur Verfügung steht. Nutzenergie (physik. Einheit: Nm, J) Durch Umwandlung von Endenergie gewinnt der Verbraucher Nutzenergie zur Befriedigung seiner Bedürfnisse. Mögliche Formen der Nutzenergie sind Wärme, Kälte, Licht, mechanische Arbeit oder Schallwellen.

5 Energieträger und Energieformen
Energieträger sind Materialien. Durch einen chemischen oder physikalischen Prozess entsteht eine Energieform, die sich technisch nutzen lässt. Diese Energieform lässt sich wandeln. Kohle Feuer heißes Wasser fossiler chemischer thermische Energieträger Prozess Energieform Uran Kernspaltung Wasserdampf Turbine Strom radioaktiver physikalischer therm./mechan. mechanische elektrische Energieträger Prozess Energieform Energieform Energieform

6 Energieträger Als Energieträger bezeichnet man die natürlich vorkommenden Materialien. fossile Energieträger Steinkohle Braunkohle Torf Erdgas Erdöl regenerative Energieträger nachwachsende Rohstoffe wie Mais radioaktive Energieträger (Kernspaltung) Metalle wie Uran Sonne (Kernfusion) Wasserstoff Quelle: Wikipedia

7 Natürlich vorhandene Energieformen
Neben den Energieträgern, die erst durch einen chemischen oder physikalischen Prozess thermische Energieform erzeugen, gibt es natürlich vorhandene Energieformen, die sich technisch nutzen lassen. Dazu zählen: Windenergie Wasserkraft Sonnenenergie (Wärme und Licht) Gezeiten (Tidenhub) Quelle: Umweltbundesamt Quelle: Wikipedia Diese Energieformen sind dadurch entstanden, dass an anderen Stellen Energieträger wirken, beispielsweise die Kernfusion (physikalischer Prozess) auf der Sonne.

8 Energieformen Mechanische Energie Kinetische Energie – Bewegung
Potentielle Energie – Lage, Verformung Thermische Energie Wärme Strahlungsenergie Sonne - Wärme, Licht Elektrische Energie Strom

9 Energieformen Chemische Energie Brennstoffzelle Kernenergie Wärme
Quelle: Wikipedia Quelle: Die Zeit Quelle: Ford New Holland

10 Wandlung von Energie Beispiele für die Wandlung von Energieformen
Elektrische Energie Chemische Energie Chemische Energie Glühlampe: Strahlungs- und therm. Energie Thermische Energie Thermische und elektr. Gasheizung: Kohlekraftwerk: Die Wandlung von Energie ist grundsätzlich mit Verlusten verbunden, wobei Energie nicht verloren gehen kann. Die Verluste stehen nur nicht mehr nutzbar zu Verfügung. Beispielsweise erzeugt ein Elektromotor nicht nur mechanische Leistung, sondern gibt auch Wärme an die Umgebung ab.

11 Beispiele für Prozesse der Energiewandlung Energieträger Sekundärenergie Endenergie Nutzenergie
Kohle Wärme Strom Licht Erdöl Strom Wärme c-agri.de Biomasse Strom Wärme Licht Wärme

12 Energiedichte Die Energiedichte ist die Verteilung von Energie E auf eine bestimmte Größe X. Am häufigsten wird sie verwendet als Maß für die Energie pro Raumvolumen eines Stoffes in J/m³ Maß für die Energie pro Masse eines Stoffes in J/kg fossile Energieträger regenerative Energieträger

13 Energiedichte Von praktischem Interesse ist die Energiedichte (gebräuchlich sind auch die Bezeichnungen Brennwert und Kapazität) bei den in der Technik verwendeten Energiespeichern wie MJ/kg Steinkohle Erdgas Erdöl Holzpellets Radioaktive Stoffe Otto-Kraftstoff Diesel-Kraftstoff Blei-Säure-Akku ,11 Li-Ionen-Akku ,65 Insbesondere im Fahrzeugbau ist die Energiedichte des verwendeten Energiespeichers entscheidend für die erzielbare Reichweite.

14 Energiewandel mit Dampfmaschine
Versuch 1

15 Dampfmaschine Revolutinäre Erfindung, die es erstmalig ermöglichte einen Energieträger wie Kohle in mechanisch nutzbare Energie zu wandeln. Heutzutage keine Verwendung mehr. Früher Arbeitsgerät für: Stationäre Antriebe Lokomotiven Lokomobile Dampfschiffe

16 James Watt James Watt wurde 1736 in Schottland geboren. Er lässt sich zum Instrumentenbauer ausbilden und erhält die Möglichkeit, auf dem Gelände der Universität Glasgow eine Werkstatt zu eröffnen. Er wird von der Universität beauftragt, ein Labormodell der Newcomen Dampfpumpe zu verbessern. James Watt entwickelt das Konzept eines getrennten Dampfkondensators, um das ständige Abkühlen und Wiederaufheizen des Zylinders zu verhindern. James Watt lernt Matthew Boulton kennen und sie gründen das Unternehmen Boulton & Watt. James Watt steigert den Wirkungsgrad der Dampfmaschine durch die Einführung des doppelten Arbeitshubs, bei dem auch der Kolbenrücklauf durch Dampfdruck erfolgt. Er verbessert die Dampfmaschine durch die Entwicklung des Fliehkraftreglers, die Drosselung der Dampfzufuhr zur Drehzahlsteuerung, und die Fernsteuerung der Drossel durch den Maschinenführer. Die neue Technik führt zur Industriealisierung in Großbritannien und Europa. Aus den Heimwerkern werden Fabrikarbeiter. James Watt stirbt 1819 bei Birmingham. Die physikalische Einheit für Leistung [W] ist nach ihm benannt. 1736 - 1819

17 Dampfmaschine

18 Dampftraktor mit Scheibenpflug

19 Funktionsprinzip Dampfmaschine

20 Lokomobil mit Pflug

21 Dampfpflügen

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

23 Kinetische Energie Die Energieformen Translationsenergie und Rotationsenergie zählen zur kinetischen Energie. Translationsenergie Rotationsenergie [Nm, J] Trägheitsmoment einer Scheibe r

24 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 = konst Lage- energie Bewegungs- energie Energiewandlung am Maxwellschen Rad

25 Bierdosen auf schiefer Ebene
Versuch 2

26 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? h = m Welche Geschwindigkeit hat der Stein beim Aufprall auf die Wasseroberfläche? m/s v =

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

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

29 Arbeit

30 Arbeit bei mechanischen Vorgängen
Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt oder verformt 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.

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

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

33 Leistung

34 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

35 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

36 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.

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

38 Aufgabe - Leistung

39 Aufgabe - Leistung

40 Aufgabe - Leistung

41 Aufgabe - Leistung

42 Aufgabe - Leistung