Arbeit, Leistung, Energie und Wärme: Ein umfassender Leitfaden

Arbeit, Leistung und Energie

Arbeit entsteht, wenn eine Kraft auf einen Körper wirkt und ihn über eine Strecke bewegt. Man sagt, dass die Kraft Arbeit geleistet hat. Daher ist die Arbeit gleich:

T = F * S

Die Arbeitseinheit im SI-System ist das Joule (J). Es ist definiert als die Arbeit, die durch die Anwendung einer Kraft von 1 Newton auf einen Körper geleistet wird. 1J = 1N * 1m.

Keine Arbeit

1. Wenn es keine Verschiebung gibt, ist der Weg 0, die Arbeit ist Null.
2. Wenn Kraft und Weg senkrecht zueinander stehen (90°), wird keine Arbeit verrichtet.

Leistung

Leistung bezieht sich auf den Betrag der Arbeit, die im Laufe der Zeit verrichtet wird:

P = T / t

Die SI-Einheit ist das Watt (W). Es ist definiert als 1 Joule Arbeit, die in 1 Sekunde geleistet wird. 1W = 1J/1s. Sie kann auch ausgedrückt werden als: P = F * V

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad einer Maschine ist nie 100 %, da ein Teil der Energie als Wärme verloren geht. Er wird in % ausgedrückt und hat keine Einheiten, da er das Verhältnis zwischen zwei Energien ist.

Energie

Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Die Begriffe Energie und Arbeit sind miteinander verbunden und werden in denselben Einheiten (J) gemessen. Abhängig von der Fähigkeit, verschiedene Arten von Arbeit zu erzeugen, kann Energie in verschiedene Formen umgewandelt werden: mechanische, chemische, thermische, Licht- und Kernenergie.

Arten von Energie

• Kinetische Energie
• Potenzielle Energie

Die kinetische Energie ist mit der Bewegung eines Körpers verbunden. Sie hängt von der Masse (m) und der Geschwindigkeit (v) des Körpers ab:

E.kin = 1/2 * m * v²

Die potenzielle Energie ist mit der Position eines Körpers in Bezug auf die Erdoberfläche verbunden, d. h. mit einer bestimmten Höhe. Sie hängt vom Gewicht und der Höhe des Körpers ab:

E.pot = m * g * h

Dabei ist g die Erdbeschleunigung.

Prinzipien der Erhaltung der mechanischen Energie

Die gesamte mechanische Energie eines isolierten Systems, d. h. eines Systems ohne Energieaustausch mit der Außenwelt, bleibt konstant.

Wärmeenergie

Wärmeenergie ist die Energie, die von heißen Körpern auf kalte Körper übertragen wird, wenn sie in Kontakt kommen. Die Wärmeenergie hängt von drei Faktoren ab:

• Masse des Körpers
• Temperaturdifferenz
• Art des Körpers

Q = m * Ce * (T1 - T2)

Die spezifische Wärme ist definiert als die Wärmemenge, die einem Körper zugeführt werden muss, damit bei einem Druck von einer Atmosphäre seine Temperatur um 1 °C steigt. Im SI-System wird sie in Joule gemessen. Eine weitere Einheit zur Messung von Wärme ist die Kalorie. Die Temperatur ist das Maß für die Wärme von Körpern.

Thermisches Gleichgewicht

Wenn zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in Kontakt kommen, gibt der heiße Körper Wärme an den kalten Körper ab (Q2), bis sie die gleiche Temperatur erreichen, die als Gleichgewichtstemperatur bezeichnet wird.

Heiß: Qc = m1 * Ce1 * (T1 - Tx)

Kalt: Qg = m2 * Ce2 * (Tx - T2)

Qc = Qg