IG Metall Projekt Gute Arbeit (Hrsg.) Handbuch »Gute Arbeit«
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Arbeit, Energie und Leistung
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Arbeit
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Arbeit bei mechanischen Vorgängen
Arbeit entsteht, wenn mit Hilfe einer Kraft ein Weg zurückgelegt 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.
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Reibarbeit
Hubarbeit
W = mg · h [Nm, J] = G · h
Arbeit bei mechanischen Vorgängen
Arbeit einer Zugkraft Projektion der Kraft auf die Bewegungsrichtung
Arbeitsdiagramm für konstante Kraft
G
G
h
G
Fz
α
FR
Kraftmesser F
Fz
W = G · s
h0
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Dehnungsarbeit einer Feder
Dehnungsarbeit einer elastischen Feder
Beschleunigungsarbeit
Eine Masse m wird auf der Wegstrecke s mit der Kraft F = m · a beschleunigt.
Mit den Gleichungen und ergibt sich
Arbeit bei mechanischen Vorgängen
Hookesches Gesetz
[N m, J]
[N m] Beschleunigungsarbeit
[N m] Beschleunigungsarbeit
Die zur Dehnung notwendige Kraft ist proportional zum Federweg. In diesemFall ist der Mittelwert vom Endwert der Spannkraft F anzusetzen.
F
s
Δw
Δs0
F
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Energie
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Energie allgemein
Die Energie ist eine fundamentale physikalische Größe. Sie spielt in der Physik, Chemie, Technik und Natur eine zentrale Rolle.
Energieformen sind z.B. Wärmeenergie, elektrische Energie, chemische Energie, Kernenergie, mechanische Energie.
Durch Wandlung von Energie besteht die Möglichkeit, Arbeit zu verrichten.
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Beispiele für die Wandlung von Energieformen
Glühlampe: Elektrische Strahlungs- und therm.
Energie Energie
Gasheizung: Chemische Thermische
Energie Energie
Kohlekraftwerk: Chemische Thermische und elektr.
Energie Energie
Wandlung von Energie
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• fossile Energie (Steinkohle, Braunkohle, Torf, Erdgas, Erdöl)• Biomasse• Windenergie (atmosphärische Strömungen)• Wasserkraft• Sonnenenergie (nutzbare solare Energieeinstrahlung: Licht, Wärme)• Kernenergie • Gezeiten (Tidenhub)• Geothermie (Erdwärme)• Wellenkraft (Wellenkraftwerk)• Meeresströmung (Meeresströmungskraftwerk)
Als Primärenergie bezeichnet man die Energie, die mit den natürlich vorkommenden Energieformen oder Energieträgern zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu spricht man von Sekundärenergieträgern, wenn diese erst im Verlaufe eines Energieflusses durch einen (mit Verlusten behafteten) Umwandlungsprozess aus der Primärenergie gewandelt werden. Die nach evtl. weiteren Umwandlungs- oder Übertragungsverlusten vom Verbraucher nutzbare Energiemenge bezeichnet man schließlich als Endenergie.
Primärenergie
primäre Energieträger
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Sekundärenergien sind die nach der Umwandlung der Primärenergieträge in sog..
Nutzenergieträger verbleibende Energieformen.
sekundäre Energieträger
• Elektrischer Strom• Heizöl, Benzin, Dieselöl, Briketts, Flüssiggas• Fernwärme• Prozessgase (Chemische Industrie)
Sekundärenergien
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• Als Endenergie bezeichnet man denjenigen Teil der Primärenergie, welcher dem Verbraucher, nach Abzug von Transport- und Umwandlungsverlusten, zur Verfügung steht.
Endenergie und Nutzenergie
• Die Nutzenergie ist diejenige Energie, die dem Endnutzer für die gewünschte Energiedienstleistung zur Verfügung steht.
• Durch die Anwendung oder evtl. auch die Umwandlung von Endenergie gewinnt der Verbraucher Nutzenergie zur Befriedigung seiner Bedürfnisse. Mögliche Formen der Nutzenergie sind Wärme, Kälte, Licht, mechanische Arbeit oder Schallwellen.
• Die Nutzenergie ist in den meisten Fällen kleiner als die Endenergie, da bei der Energieumwandlung Verluste auftreten. Beispielsweise erzeugt eine Glühbirne nicht nur Licht, sondern strahlt den größten Teil der eingesetzten Energie in Form von Wärme ab.
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Beispiele für Prozesse der EnergiewandlungPrimär Energie Sekundär Energie Endenergie Nutzenergie
Kohle Strom Wärme Licht
Erdöl Strom Wärme
Biomasse Strom
Wärme
Wärme Licht
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Potentielle Energie
Die Energieformen Lageenergie und Spannungsenergie zählen zur potentiellen Energie.
LageenergieArbeitsfähigkeit eines gehobenen Körpers
SpannungsenergieArbeitsfähigkeit einer gespannten Feder
[N m, J]
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Die Energieformen Translationsenergie und Rotationsenergie zählen zur kinetischen Energie.
Translationsenergie
Rotationsenergie
Trägheitsmoment einer Scheibe
Kinetische Energie
[N m, J]
r
m
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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 = const
Energiewandlung am Maxwellschen Rad
Lage-energie
Bewegungs-energie
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Energieträger Kraftstoff 100%
Abgase 30%
30%
10%
10%20%
Kühlung
Getriebe/Mechanik
Bereifung
nutzbare Energie
für die Aufteilung wurden grobe Richtwerte angenommen, die aus den verschiedensten Quellen stammen
Energiebilanz am Traktor
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Leistung
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Leistung
Zur Bewertung von Vorgängen kommt es darauf an, innerhalb welcher Zeit einebestimmte Arbeit verrichtet wird.
Leistung bei geradliniger Bewegung
Leistung bei rotierender Bewegung
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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 PferdestärkeEin 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
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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.
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Vergleich der Leistungsgewichte
Leistung: P = 150 PS / 110 kWEigengewicht: m = 20 t Leistungsgewicht : ML = 133 kg / PS
ML = 181 kg / kW
Leistung: P = 300 PS / 220 kWEigengewicht: m = 10 t Leistungsgewicht : ML = 33 kg / PS
ML = 46 kg / kW
www.Fendt.comwww.paleotropolis.de
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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?
Welche Geschwindigkeit hat der Stein beim Aufprall auf die Wasseroberfläche?
h = m
v = m/s
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Energie – Aufgabe
Welche potenzielle Energie hatte der Stein bezüglich der Wasseroberfläche?
Welche kinetische Energie hatte der Stein beim Aufprall auf die Wasseroberfläche?
Epot = kJ
Ekin = kJ
