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Physik

Die Energieumwandlungskette vom Kraftwerk ins Haus

Zwischen Kraftwerk und Lampe wird Energie mehrfach umgewandelt. An jeder Stelle entsteht Abwärme, die verloren geht.

  • ca. 12 Minuten
  • Klasse 10
  • Niveau: Standard

Das lernst du heute

  • Ich kann eine Energiekette vom Kraftwerk bis zum Gerät beschreiben.
  • Ich kann die Verluste in der Kette benennen.
  • Ich kann Teilwirkungsgrade verknüpfen.

Das brauchst du schon: Vielleicht hilft dir zuerst eine dieser Lektionen: Kraftwerkstypen nach physikalischen Merkmalen ordnen, Der Transformator: Spannung umwandeln

Beim Kohlekraftwerk beginnt die Kette mit chemischer Energie in der Kohle. Beim Verbrennen wird daraus Wärme. Die Wärme erhitzt Wasser zu Dampf unter hohem Druck. Der Dampf treibt die Turbine an. Die Turbine treibt den Generator an. Dort wird die Bewegung zu elektrischer Energie. Ein Transformator erhöht die Spannung für die Fernleitung. In der Nähe der Haushalte senken weitere Transformatoren die Spannung. Im Haushalt wird die elektrische Energie im Gerät zu Licht, Wärme oder Bewegung. An jeder Stufe geht ein Teil als Wärme verloren. Der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt der Teilwirkungsgrade. Beispiel mit ausgedachten, vereinfachten Werten: Kraftwerk 40 Prozent, Übertragung 90 Prozent, Gerät 50 Prozent. Dann gilt 0,4 · 0,9 · 0,5 = 0,18. Nur 18 Prozent der Energie in der Kohle werden am Ende im Gerät genutzt. Der Rest, 82 Prozent, ist Wärme in der Umgebung. Die Energie ist nicht verschwunden. Sie ist nur nicht mehr nutzbar.

Energiekette im Kohlekraftwerk.
StufeEnergieform davor → danachBauteil
1chemische Energie → WärmeKessel
2Wärme → BewegungDampfturbine
3Bewegung → elektrische EnergieGenerator
4elektrische Energie → Licht, Wärme, BewegungGerät im Haushalt

Gesamtwirkungsgrad berechnen

  1. Teilwirkungsgrade (ausgedacht): 0,4 · 0,9 · 0,5.
  2. 0,4 · 0,9 = 0,36.
  3. 0,36 · 0,5 = 0,18.
  4. Gesamtwirkungsgrad 18 Prozent. Verloren: 100 − 18 = 82 Prozent.

Ich verstehe das noch nicht

Such dir aus, was dir hilft.

Noch einfacher erklärt

Kohle → Wärme → Bewegung → Strom → Gerät.

In jeder Stufe geht Wärme verloren.

Multipliziere die Wirkungsgrade.

Ein Beispiel

Beispiel

Stell dir drei Eimer übereinander vor. Jeder hat ein Loch an der Seite. Wasser läuft von oben durch alle Eimer. Aus jedem läuft ein Teil seitlich aus. Unten kommt nur ein Rest an.

Schritt für Schritt

Du berechnest den Gesamtwirkungsgrad.

  1. Schreibe die Teilwirkungsgrade als Dezimalzahlen.
  2. Multipliziere die ersten beiden.
  3. Multipliziere das Ergebnis mit dem dritten.
  4. Gib das Ergebnis in Prozent an.

Mit einem Bild erklärt

StufeWirkungsgrad
Kraftwerk0,4
Übertragung0,9
Gerät0,5
gesamt0,18

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Ausprobieren

Jetzt zusammen

Wir lösen die Aufgabe gemeinsam. Nutze die Hilfen, wenn du sie brauchst.

Was passiert im Generator?
Zeig mir den ersten Schritt

Was treibt den Generator an?

Lösung ansehen

Lösung: Bewegungsenergie wird zu elektrischer Energie.

Üben

Jetzt du

Jetzt probierst du es allein.

Stufe 1 hat den Wirkungsgrad 0,4 und Stufe 2 den Wirkungsgrad 0,9. Wie viel Prozent der Anfangsenergie kommen nach beiden Stufen an?

Zeig mir den ersten Schritt

Multipliziere 0,4 · 0,9.

Lösung ansehen

Lösung: 36

0,4 · 0,9 = 0,36, also 36 Prozent.

Tipp: Schreibe die Kette Stufe für Stufe auf. Hinter jeder Stufe fragst du: Wie viel geht verloren?

Merksatz: Gesamtwirkungsgrad = Produkt der Teilwirkungsgrade. Die Energie bleibt erhalten, wird aber in Wärme umgewandelt.

Typischer Fehler: Viele addieren die Wirkungsgrade der Stufen. Man multipliziert sie. Jede Stufe gibt nur einen Teil an die nächste weiter.

Prüfen

Mini-Quiz

4 kurze Fragen, ohne Noten. Bei jeder Frage kannst du dir die Lösung ansehen.

Frage 1 Drei Stufen haben die Wirkungsgrade 0,4, 0,9 und 0,5. Wie viel Prozent der Anfangsenergie werden genutzt?

Zeig mir den ersten Schritt

0,4 · 0,9 · 0,5.

Lösung ansehen

Lösung: 18

0,36 · 0,5 = 0,18, also 18 Prozent.

Frage 2 Wo geht in der Kette Energie verloren?
Lösung ansehen

Lösung: An jeder Stufe, hauptsächlich als Wärme

Frage 3 Die verlorene Energie ist verschwunden.
Lösung ansehen

Lösung: Stimmt nicht

Frage 4 Welche Reihenfolge stimmt für ein Kohlekraftwerk?
Lösung ansehen

Lösung: Kessel, Turbine, Generator, Transformator

Geschafft

Die Energie läuft in Stufen vom Kraftwerk zum Gerät. Verluste entstehen überall. Der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt der Stufen.

Zum Schluss

Kannst du das schon?

Hake ab, was du schon kannst. Was noch fehlt, schaust du dir einfach noch einmal an.

Zum Ausdrucken

Übungsheft Vom Kraftwerk zur Steckdose

Kurz erklärt, 51 Aufgaben in drei Stufen und alle Lösungen. Kostenlos.

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