Számítás energiával és erővel

(Ez a cikk hasonló formában jelent meg az Energie & Umwelt 3/2006, a Svájci Energia Alapítvány magazinjában.)

A kilowatt és a megajoule kiszámítása nem rakétatudomány. Egy rövid bevezetés segít az indulásban és a hibák elkerülésében.

Gyakran olvashatók olyan információk, mint „A szélturbina 350 kW-ot szolgáltat évente”; néha többet mesélnek a szerző kompetenciájának határairól, mint az ügyről. A számítás alapjainak elsajátítása energiával és erővel nemcsak a zavartságot kíméli, hanem mindenekelőtt érdekes becsléseket és összehasonlításokat tesz lehetővé. A cél itt az alapok néhány érthető megmagyarázása, valamint az érintett méretek és számok érzésének közvetítése.

Az alapok

Bizonyos energiamennyiségre van szükség egy bizonyos fizikai értelemben vett „munka” elvégzéséhez, pl. B. három ember négy emelet megemeléséhez vagy egy autó mozgatásához a gravitáció és a súrlódás ellen az Alpok felett. Az ilyen mechanikus energia átalakítható más energiákká is, például hővé vagy villamos energiává. Az ilyen átalakításoknál nincs szűkebb értelemben vett energiaveszteség, de gyakran előfordul egy hiányos átalakítás, amely veszteségként hatékonyan válik érvényessé. A sofőr számára az égés által termelt hőenergia azon része, amely nem alakul át mechanikai energiává, de felmelegíti a környezetet, ténylegesen elvész. A hatékonyság az energia aránya, amely a kívánt formára alakítható.

Energiaegységek

Minden forma energiája számszerűsíthető ugyanazzal az egységgel, ami számos számításhoz rendkívül hasznos. A mai általános SI mértékegység-rendszerben a joule (J) az energia alapegysége. Néhány kilojoule (1 kJ = 1000 J) elegendő ahhoz, hogy valóban elinduljon a kerékpár és a motoros. A sok ruhaneműt néhány megajoule-val (1 MJ = 1000 kJ = 1 millió joule) mossuk, és egy liter fűtőolaj kb. 35 MJ hőt biztosít (veszteség nélkül a kazánban). További közös energiaegységek a kilowattóra (1 kWh = 3 600 000 J) és a kalória (1 kal = 4,19 J).

Teljesítmény = energiaegység időegységenként

Ha az energiát egy bizonyos idő alatt konvertálják, akkor a teljesítmény az egységnyi egységnyi energia átalakított mennyiségét írja le. Az alapegység a watt (W); 1 watt másodpercenként egy joule-nak felel meg, és elegendő egy kis játékmotor meghajtásához. Egy kilowatt (kW) másodpercenként 1 kJ vagy 3600 kJ = 3,6 MJ = 1 kWh/óra. A kilowattórát (kWh) ma már annak az energiamennyiségnek értjük, amelyet egy kilowatt teljesítményű eszköz egy óra alatt átalakít. Ha a megvalósítás nem teljes, különféle részletek lehetségesek: pl. Például egy autópályán haladó dízelmotor esetében vagy az elfogyasztott teljesítmény (5 liter dízel üzemanyag óránként 535 MJ/óra, azaz 175 MJ/(3600 s) = 49 kJ/s = 49 kW), vagy 15 kW kimenő teljesítmény. Itt a hatékonyság 15 kW/49 kW lenne = 0,31 = 31%.

Sajnos a lóerő (HP) még mindig a motorok közös erőegysége; 1 LE = 0,735 kW. Egy hajó-meghajtórendszer 1500 LE-s motorjának teljesítménye 1100 kW = 1,1 MW, amely ebben a formában jól összehasonlítható egy gázerőmű 300 MW-mal. A hajó motorjának talán 2 MW hulladékhő-kibocsátása elegendő lenne 200 kisebb ház fagyos fűtésére.

Példák

A kilowattokat és a kilowattórákat már nem lehet összetéveszteni egymással, és elkerülik az egyéb hibákat. A fent említett szélturbina teljes szél esetén 350 kW csúcsteljesítményt produkálhat. A helyszín szélviszonyaitól függően z lenne. B. 80 kW éves átlagban, ami 80 kW * 24 (napi óránkénti) * 365 (évenkénti nap) = 700800 kWh éves termelést eredményezne. A bevezetőben szereplő információk azonban azt is jelenthetik, hogy 350 kW az átlagos teljesítmény, ami jó 3 millió kWh éves termelésnek felel meg. Láthatja, hogy az egyértelműbb információk nagyon kívánatosak.

kávéautómata

A teljesen automatikus kávéfőző bekapcsolása után 24 másodpercre van szüksége 1500 wattos hőfokon. Ez 1500 W · 24 s = 36 000 W s = 10 Wh = 0,01 kWh energiamennyiséget eredményez. Amikor a kávét lehúzzák, további 13 Wh csészénként (150 ml) adnak hozzá. Elvileg arra számítottak volna, hogy 150 g vizet kell 20 ° C-ról 95 ° C-ra (kb. 75 Kelvin) felmelegíteni, ami 4,19 J/g K · 150 g · 75 K = 47,1 kJ energiamennyiségnek felel meg. = 13 Wh. (Elhanyagolhatjuk a kávédaráló, a szivattyú stb. Mechanikus hajtásainak teljesítményigényét.) Tehát ez pontosan illik, és nem is lehetne jobb; az energia csak akkor veszik el, ha felmelegszik. Ezenkívül 3,3 W (mért) készenléti fogyasztás van; 24 óra alatt ez 3,3 W · 24 h = 79 Wh-t eredményez. Ez egyébként elég lett volna napi 6 csésze kávéhoz, vagy 8-szoros melegítéshez.

A magánember általában a legnagyobb előnyökkel jár az autóval kapcsolatban. Egy autó motorja z-t szállít. B. legfeljebb 50 kW (= 68 LE) meghajtó teljesítmény 180 kW-tól a benzin elégetésén keresztül, így 130 kW-ot bocsát ki hővé. A hatékonyság ekkor 28%. Alapjáraton nem csinál semmit (hatékonyság = 0), és még mindig 10 kW-ot fogyaszt benzin formájában (jó 1 liter óránként), amelyet hőként ad le a környezetnek. Ez a 10 kW elegendő lenne egy kissé hőszigetelt ház télen tartásához.

Gázerőmű

Egy nagy gázerőmű látja el z-t. B. 300 MW (1 MW = 1000 kW) elektromos, és hasonlóan nagy energiát bocsát ki hulladékhő formájában a környezetbe. Egy nagy atomreaktor termikusan 3 GW = 3000 MW energiát szolgáltat, ami kb. 1 GW elektromos és 2 GW hulladékhő formájában keletkezik. Ennyi hőt egy helyen nehéz hasznosítani, ezért többnyire a légkörbe és/vagy a folyóba kerül.

Forró víz

A víz hőkapacitása 4,19 kJ/(kg K) - tehát 4,19 kJ-ra van szükség egy kg víz egy fokkal történő melegítéséhez. Ha percenként 15 liter (15 kg) halad át a mosdókagylón, amelyet 50 fokkal kell felmelegíteni a fűtési rendszerben, ez 4,19 kJ · 50 · (15/60) = 52 kJ/másodperc energiamennyiségnek felel meg, azaz egy 52 kW hőteljesítmény. Ha összehasonlítja ezt z. B. a mennyezeti világítás 60 W-os teljesítményével meg lehet érteni, hogy a szakértő haja miért áll felhúzva egy haszontalan, forró vízsugár láttán, míg a tíz percig haszontalanul égő fény viszonylag hűvösé teszi.

Hűtőcső

Hűtőberendezés, például légkondicionáló rendszer hűtőgépe, gyakran hűtött víz formájában látja el a keletkezett hideget. A meleg vízhez hasonlóan (lásd fent), a szállított hűtési teljesítmény kiszámítható a térfogatáram, a fajlagos hőteljesítmény és ebben az esetben a hőmérséklet-eloszlás (a kimenő és visszatérő vezetékek közötti hőmérséklet-különbség) szorzatából. Példa: 10 l/perc vízmennyiség-áramlás (tömegáram 10 kg/perc) és 20 K hőmérséklet-eloszlás 10 kg/(60 s) · 4,19 kJ/(kg K) · 20 szállított hűtőteljesítményt eredményez. K = 14 kJ/s = 14 kW.

Az emberi test energiafelhasználása

Hasonlítsa össze ezeket az adatokat egy felnőtt emberi test átlagos forgalmával. Ebben az összefüggésben történelmi okokból a kcal (kilokalória) egység gyakori. Élelmezés útján a napi 2000 kilokalória bevitele 4,19 · 2000 kJ = 8,38 MJ. (Vigyázat: Amit gyakran „kalóriának” adnak, az valójában kilokalória; 1 kcal = 4,19 kJ.) Ez körülbelül 100 W teljesítményt eredményez (éjjel-nappal átlagolva).

Autó működtetése alapjáraton (10 kW-os) energikusan megfelel 100 rabszolga megtartásának, és 5-10-ször több mérsékelten gyors autópálya-utazásnak.

Kérdések és megjegyzések az olvasóktól

A 80 kg-os személy 3 perc alatt mászik fel egy ház 7. emeletére (emeletenként 3 m magasság). Milyen munkát végez és milyen munkát végez?

Munka: 80 kg 9,81 m/s 2 (7 3 m) = 16,5 kJ.

Teljesítmény: 16,5 kJ/(3 x 60 s) = 92 W.

A vezetővel ellátott robogó súlya 100 kg, egyenes szakaszon és 35 ° -os lejtőn halad 20 km/h sebességgel ellenállás nélkül. Mi a teljesítménye?

100 kg 9,81 m/s 2 bűn 35 ° 20 km/h 1000 m/km/(3600 s/h) = 3126 W.

Itt javasolhat kérdéseket és megjegyzéseket közzétételhez és megválaszoláshoz. Az RP-Energie-Lexikon szerzője bizonyos szempontok szerint dönt az elfogadásról. Lényegében az a lényeg, hogy az ügy széles körben érdekelt.

Ha itt kapsz segítséget, érdemes egy adománnyal visszaadni a szívességet, amellyel támogatod az energetikai szótár továbbfejlesztését.

Adatvédelem: Kérjük, ide ne írjon be személyes adatokat. Amúgy sem tennénk közzé őket, és hamarosan törölnénk őket. Lásd még az adatvédelmi irányelveinket.

Ha személyes visszajelzéseket vagy tanácsokat szeretne a szerzőtől, kérjük, írjon neki e-mailben.

A beküldéssel hozzájárulását adja a bejegyzéseinek itt történő közzétételéhez a szabályainknak megfelelően.

Ha tetszik ez a weboldal, kérjük, értesítse barátait és kollégáit - pl. B. a közösségi médián keresztül ide kattintva:

Ezeket a megosztási gombokat adatvédelem-barát módon állítják be!

Kövesse az energiával kapcsolatos megjegyzéseket a Twitteren!

A Twitteren megtalálhatja Dr. Paschotta az RP-Energie-Lexikontól a @EnergieLexikon oldalon.

Legyen ott követő, ha többet szeretne megtudni, például:

Érdekes bejegyzések retweetje az energiáról és a környezetről
Megjegyzések az aktuális témákhoz
új cikkek az energialexikonban vagy az RP energiablogban

Leginkább te is aktívan részt vegyen - például kérdésekkel, megjegyzésekkel, retweet-ekkel, lájkokkal stb.!