Energie und Wirkungsgrad — Ingenieurwesen, 11–13 Jahre
Geräte erhalten Energie und wandeln sie in nützliche Bewegung, Licht, Schall oder Wärme um. Der Wirkungsgrad vergleicht den nützlichen Anteil mit der zugeführten Energie, denn ein Teil geht als unerwünschte Wärme, Geräusch oder Reibung weg.
Nützliche und zugeführte Energie
Eine Maschine wandelt normalerweise nicht die gesamte zugeführte Energie in das gewünschte Ergebnis um. Ein Elektromotor erzeugt Bewegung, aber ein Teil der Energie erwärmt seine Kabel und Lager. Der Wirkungsgrad zeigt, welcher Anteil der zugeführten Energie nützlich wird, meist als Bruch oder Prozentzahl.
Warum Ingenieurinnen und Ingenieure Verluste beachten
Früher galt Energie oft als etwas, das Maschinen ohne große Sorgen verschwenden konnten. Mit dem Wachstum von Motoren, Häusern und Fabriken bedeutete verschwendete Energie jedoch mehr Brennstoff, Kosten und Verschmutzung. Der Wirkungsgrad wurde zu einem Weg, Entwürfe zu vergleichen und Verluste durch Dämmung, Schmierung oder bessere Bauteile zu verringern.
Einen Wirkungsgrad berechnen
Ein kleiner Motor erhält 100 Joule elektrische Energie und liefert 70 Joule nützliche Bewegung. Der Wirkungsgrad ist nützliche Energie geteilt durch zugeführte Energie: 70 ÷ 100 = 0,70. Mal 100 ergibt 70 Prozent. 30 Joule wurden also zu unerwünschter Wärme oder unerwünschtem Schall.
Energie wird in einer Maschine nicht vernichtet
Es ist naheliegend zu sagen, die fehlende Energie sei verschwunden, wenn eine Maschine ineffizient ist. Tatsächlich wurde sie in andere Formen übertragen, oft in unerwünschte Wärme, Geräusche oder Schwingungen. „Verloren“ ist eine nützliche Kurzform, bedeutet aber nicht, dass die Energie nicht mehr existiert.
Alltagsgeräte effizienter machen
Ein Wasserkocher, ein Fahrrad, ein Auto und ein Haus lassen sich verbessern, wenn man nach Energie sucht, die der Aufgabe nicht hilft. Gute Dämmung bremst entweichende Wärme, Öl verringert Reibung in beweglichen Teilen und LED-Lampen wandeln mehr elektrische Energie in Licht um als alte Glühlampen. Ingenieurinnen und Ingenieure verbessern den Wirkungsgrad, ohne Verluste auf null zu versprechen.
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