Energie als Erhaltungsgröße

Elektrische Energieumwandlung und Leistung

Die Abbildungen zeigen unterschiedliche Formen von Arbeiten im Alltag. In der Physik betrachtet man Arbeit unter dem Gesichtspunkt der Energieumwandlung. Damit man überhaupt arbeiten kann, muss man Energie haben. Das Maß für die verrichtete Arbeit ist die Größe der umgewandelten Energie.

Bei den Arbeiten im Alltag wird die chemische Energie in den Nahrungsmitteln über die Muskelenergie oder im Gehirn in Arbeit umgesetzt.

Das Prinzip der Energieerhaltung

In der gesamten Natur gilt eine der wichtigsten Grundregeln der Physik:

Sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt oder von einem Körper auf einen anderen übertragen werden.

Wenn wir im Alltag von „Energie erzeugen“ oder „Energie verbrauchen“ sprechen, meinen wir physikalisch immer die Umwandlung von einer Energieform in eine andere.

Elektrische Energie - wenn Elektronen Arbeit leisten

Elektrische Energie ist besonders wertvoll, weil sie sich leicht transportieren lässt und in fast jede andere Energieform umgewandelt werden kann: In einer Batterie ist chemische Energie gespeichert. Beim Einschalten wandeln die bewegten geladenen Teilchen im Stromkreis diese in elektrische Energie um. Im Gerät (z. B. einer Lampe oder einem Motor) wird die elektrische Energie in Licht, Bewegung oder Wärme umgewandelt. Elektrische Geräte sind also Energiewandler.

Die Menge der umgewandelten elektrischen Energie hängt von drei Faktoren ab:

• Wie stark die Teilchen angetrieben werden (Spannung U)
• Wie viele Teilchen pro Sekunde fließen (Stromstärke I)
• Wie lange der Strom fließt (Zeit t)

Die Einheit der (elektrischen) Energie ist Joule (J) bzw.Wattsekunden (Ws).

Was ist elektrische Leistung?

Bei der Leistung vergleicht man die Zeit, die man zur Verrichtung einer Arbeit, einer Energieumwandlung benötigt. Je schneller eine Arbeit erledigt ist, desto größer ist die Leistung. Eine Wanderung vom Hahnenkamm ins Tal nach Kitzbühel ist sicher weniger Leistung als jene, die die Abfahrtsläufer während des Hahnenkammrennens vollbringen. Und das obwohl beide Male das Resultat das gleiche ist – nämlich vom Berg ins Tal zu kommen. Der Unterschied liegt in der Geschwindigkeit der Energieumwandlung.

Damit ergibt sich die elektrische Leistung:

Schätze die Leistung folgender elektrischen Geräte!

Zusammenfassend kann man sagen, dass elektrische Geräte besonders hohe Leistung benötigen, wenn sie etwas kühlen bzw. erhitzen müssen oder einen leistungsstarken Elektromotor haben.

Damit die elektrische Leistung Verbraucherinnen und Verbrauchern zur Verfügung steht, muss diese in Kraftwerken erzeugt werden. Das Donaukraftwerk Ybbs-Persenbeug erzeugt beispielsweise eine durchschnittliche Leistung von 236 000 000 W (236 MW). Dieses Kraftwerk allein könnte also fast 120 000 Bügeleisen gleichzeitig betreiben, 2 360 Mittelklasse-E-Autos gleichzeitig laden, oder bis zu 24 Millionen LED-Lampen gleichzeitig zum Leuchten bringen.

Interessant ist auch ein Vergleich der Leistung von menschlichen Organen und des Menschen selbst:

Das Typenschild zeigt die Leistung eines elektrischen Geräts an.

Lies die Leistungsangaben der folgenden Typenschilder ab und tippe sie ein!

Stromzähler

Für die entnommene und im Haushalt umgewandelte elektrische Energie muss bezahlt werden. Der sogenannte Stromzähler misst die im Haushalt umgewandelte Energie.

Die früher eingebauten Stromzähler in den Haushalten sind sogenannte „Induktionszähler“. Solche Stromzähler haben eine drehbare Metallscheibe. Im Inneren befinden sich Elektromagnete. Je nachdem, wieviel Strom durch die Leitungen und den Stromzähler fließt, dreht sich die Metallscheibe verschieden schnell. Daraus kann man die umgewandelte elektrische Energie ableiten, die dann in der Einheit Kilowattstunde (kWh) angegeben wird.

Heute ersetzt man die alten Stromzähler mit Drehscheibe durch elektronische.

Die elektronischen Stromzähler wandeln die Verbrauchsdaten in digitale Signale um, die über Datenleitungen oder per Funk in die Rechnungsabteilung der Stromlieferfirma übertragen werden. Dadurch können Nutzende ihre Daten jederzeit einsehen.

Stromrechnung

Die Stromrechnung setzt sich aus dem Grundpreis, dem Arbeitspreis und der Steuer zusammen. Im Grundpreis sind die Kosten für die Infrastruktur des Stromanbieters enthalten, denn dieser stellt die Stromerzeugung und die Lieferung in Rechnung. Der Arbeitspreis ist der Preis für den umgesetzten Strom und die Steuer fließt in den allgemeinen Steuertopf des Staats.

Stromkostenrechner: Trage ein, wie lange du heute verschiedene elektrische Geräte verwendest! Du erhältst deine persönliche Stromrechnung für den heutigen Tag.

Ein durchschnittlicher Haushalt mit vier Personen hat einen Stromverbrauch von etwa 12 kWh am Tag.

Wirkungsgrad

Wenn der Computer eingeschaltet wird, dann entsteht auch Wärme. Ein oder mehrere Ventilatoren im Gehäuse sorgen dafür, dass die Wärme abgeführt wird. Denn zu viel Wärme kann dazu führen, dass der Hauptprozessor defekt wird. Diese „Heizleistung“ des Computers ist allerdings unerwünscht. Einen Teil der elektrischen Energie verwendet der Computer für das nicht notwendige, unerwünschte „Warmwerden“.

Ein Computer, der weniger Abwärme produziert, erzielt mit derselben hinein gesteckten Energie eine bessere Wirkung.

Ein Stand PC hat im Mittelwert bei Betrieb eine Leistungsaufnahme von 250 W. Für die Rechenleistung werden etwa 200 W benötigt. 50 W gehen durch die Erwärmung der Bauteile „verloren“.

Im Beispiel des Stand PC ergibt sich dann $$ \frac { 200 \; W }{ 250 \; W } $$ = 0,8. Der Stand PC hat einen Wirkungsgrad von 80%. Anschaulich lässt sich der Wirkungsgrad durch ein Flussdiagramm darstellen:

Die folgende Tabelle gibt den Mittelwert der Wirkungsgrade einiger Geräte an:

Bei den Elektrogeräten richtet sich der Wirkungsgrad nach der Menge des Kochguts. Die angegebenen Wirkungsgrade treten beim Erwärmen von 1 L Wasser auf.

Neben dem Wirkungsgrad spielt auch die Lebensdauer eine entscheidende Rolle. Bei den Lichtquellen liegen dabei die LED-Lampen wieder am günstigsten.

Wie erhitzt man Wasser von 10 °C auf 100 °C am günstigsten?

Es stehen dafür folgende Geräte zur Verfügung: Wasserkocher, Induktionsherd, Elektroherd mit Ceranfeld, Mikrowellenherd.

Die Frage lässt sich wie folgt beantworten:

1. Welche Energie braucht man, um Wasser von 10 °C auf 100 °C zu erwärmen? Die Energie, die zum Erwärmen von 1 L (= 1 kg) Wasser von 10 °C auf 100 °C benötigt wird, berechnet sich zu:
   $$ Q = c \cdot m \cdot \Delta T $$ (c = 4,2 $$ \frac{kJ}{kg \cdot K} $$) $$ \Rightarrow $$ rund 0,1 kWh.
2. Mithilfe der Tabelle der Wirkungsgrade berechnet man nun die benötigte elektrische Energie:
   Die notwendige Energie von 0,1 kWh ist die Nutzenergie. Die aufgenommene Energie berechnet sich dann so:
   $$ E_\text{aufgenommen} = \frac{0,1}{\eta} $$

   Gerät	η	AUFGENOMMENE ENERGIE IN kWh
   Wasserkocher	0,8	0,125
   Induktionsherd	0,9	0,111
   Elektroherd mit Ceranfeld	0,55	0,182
   Mikrowellengerät	0,65	0,154

3. Zur Preisberechnung benötigt man den aktuellen Preis für 1 kWh. Für unser Beispiel nehmen wir einen Wert von 40 Cent für 1 kWh an.

   Gerät	1 kWh STROM KOSTET 40 CENT
   Wasserkocher	5 Cent
   Induktionsherd	4,44 Cent
   Elektroherd mit Ceranfeld	7,28 Cent
   Mikrowellengerät	6,16 Cent

Stellt man Anschaffungs- und Betriebskosten in Rechnung, dann kommen Wasserkocher und Mikrowellengerät günstiger als jeder Elektroherd.

Da es bei allen Herdarten gegenüber dem Wasserkocher sehr stark auf das Kochgeschirr ankommt, ist bei kleinen Wassermengen der Wasserkocher wohl die günstigste Art des Erhitzens.