Mechanischer Wirkungsgrad

Jeder kennt sich die Formel zur Berechnung der Arbeit, Arbeit ist gleich Kraft mal Weg oder W = F·s
In diesen Überlegungen ist aber nicht berücksichtigt, wie viel Zeit benötigt wird, um diese Arbeit zu verrichten. Dazu verwendet man in der Physik die “mechanische Leistung”, eine sehr Methode beispielsweise und die Leistungsfähigkeit einer Maschine zu berechnen. Definitionsgemäß ist die Leistung definiert als Quotient aus Arbeit und Zeit.

Wichtig ist, dass bei dieser Definition die Arbeit während der gesamten Zeit konstant ist. Ist die Arbeit nicht konstant, so kann man beispielsweise eine mittlere Leistung angeben, die mittlere Leistung ist der Quotient aus der Differenz zwischen Endwert der Arbeit – Anfangswert der Arbeit und der Differenz zwischen Endwert und Anfangswert der Zeit.

Der (mechanische) Wirkungsgrad

Vor allem in der Technik ist aber interessant, wie viel “zugeführte” Leistung sich umwandeln lässt. Dies gibt man mit dem sog. Wirkungsgrad an, der Wirkungsgrad ist allgemein dabei allgemein definiert als das Verhältnis von abgegebener Leistung (bzw. Nutzleistung) zu zugeführter Leistung.

Der Wirkungsgrad wird hauptsächlich dazu verwendet, um die Effizienz von Energiewandlungen anzugeben, d.h. beispielsweise, wie viel Reibung bei einem Prozess entsteht oder Abwärme bei einer Lampe. Der Wirkungsgrad hat einen Wert zwischen 0 und 1, wird aber auch manchmal in Prozent ausgedrückt, also zwischen 0 und 100 %. Der höchste Wert (1 bzw. 100 %) wird jedoch bei Maschinen nicht erreicht werden (Hauptsätze der Thermodynamik), weil bei allen Vorgängen Energie durch Wärme oder Reibung in thermische Energie umgewandelt wird.

Beispiele:

 

“Energiewandler”	Wirkungsgrad in %
Akkumulator	bis zu 70
Brennstoffzelle	bis zu 60
Dieselmotor	bis zu 40
Kernkraftwerk	bis zu 30
Glühlampe	ca. 3

 

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Mechanischer Wirkungsgrad – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist der mechanische Wirkungsgrad?

Der mechanische Wirkungsgrad ist das Verhältnis der abgegebenen mechanischen Arbeit zu der zugeführten mechanischen Arbeit.

2. Wie wird der mechanische Wirkungsgrad berechnet?

Der mechanische Wirkungsgrad wird berechnet, indem die abgegebene Leistung durch die aufgenommene Leistung geteilt wird.

3. Was kennzeichnet einen hohen mechanischen Wirkungsgrad?

Ein hoher mechanischer Wirkungsgrad kennzeichnet eine effiziente Umwandlung von zugeführter zu abgegebener Energie.

4. Was passiert bei einer Maschine mit niedrigem mechanischen Wirkungsgrad?

Bei einer Maschine mit niedrigem mechanischen Wirkungsgrad geht ein großer Teil der zugeführten Energie in Form von Wärmeenergie verloren.

5. Was bedeutet es, wenn der mechanische Wirkungsgrad 1 beträgt?

Wenn der mechanische Wirkungsgrad 1 beträgt, wird die gesamte zugeführte Energie in Nutzleistung umgewandelt. Es gibt keinen Energieverlust.

6. Kann der mechanische Wirkungsgrad größer als 1 sein?

Nein, der mechanische Wirkungsgrad kann nicht größer als 1 sein. Ein Wirkungsgrad größer als 1 würde bedeuten, dass mehr Energie abgegeben als zugeführt wird, was gegen das Energieerhaltungsgesetz verstößt.

7. Was ist der Unterschied zwischen dem mechanischen und dem thermodynamischen Wirkungsgrad?

Der mechanische Wirkungsgrad bezieht sich auf die Umwandlung von mechanischer Energie, während der thermodynamische Wirkungsgrad die Umwandlung von thermischer Energie in Arbeit betrachtet.

8. Wie wirkt sich Reibung auf den mechanischen Wirkungsgrad aus?

Reibung führt zu Energieverlusten, wodurch der mechanische Wirkungsgrad verringert wird.

9. Was kann getan werden, um den mechanischen Wirkungsgrad einer Maschine zu verbessern?

Mögliche Maßnahmen zur Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrads können die Verminderung von Reibung durch z.B. Schmierung, sowie die Optimierung von Komponenten design sein.

10. Welche Rolle spielt der mechanische Wirkungsgrad in Bezug auf Umweltaspekte?

Ein hoher mechanischer Wirkungsgrad bedeutet weniger Energieverluste und damit einen geringeren Energieverbrauch. Daher ist er zur Verringerung der Umweltbelastung und zur Energieeinsparung sehr wichtig.