Wirkungsgrad in der Physik – Erklärung
Der Wirkungsgrad in der Physik misst die Effizienz von Energiewandlern. Erfahre, wie er Nutzenergie zur zugeführten Energie ins Verhältnis setzt und in Prozent angegeben wird. Möchtest du wissen, wie man den Wirkungsgrad berechnet und warum er für Energieumwandlungen wichtig ist?
Inhaltsverzeichnis zum Thema Wirkungsgrad
Wirkungsgrad im Überblick
- Der Wirkungsgrad gibt die Effizienz eines Energiewandlers an. Er berechnet sich aus dem Verhältnis von Nutzenergie zur zugeführten Energie.
- Das Formelzeichen für den Wirkungsgrad ist
und er wird in Prozent oder als einheitslose Zahl zwischen 
und 
angegeben. Die Formel für den Wirkungsgrad lautet:
Quelle sofatutor.com
Wirkungsgrad – Definition
Energiewandler wandeln Energie von einer Energieform in eine andere Energieform um. Die Effizienz des Energiewandlers wird durch den Wirkungsgrad angegeben. Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel der zugeführten Energie in die gewünschte Energie umgewandelt wird.
Es gilt: Je größer der Wirkungsgrad ist, desto mehr zugeführte Energie wird in die gewünschte Energieform umgewandelt. Die gewünschte Energieform wird auch als Nutzenergie bezeichnet.
Der Wirkungsgrad besitzt das Formelzeichen (ausgesprochen eta) und wird meist in Prozent (
) oder als Zahl zwischen und ohne Einheit angegeben. Dabei gilt: 
oder 
.
Je nach Anwendungsgebiet unterscheidet man in mechanischen, thermischen, elektrischen, energetischen und exergetischen Wirkungsgrad. Bei elektrischen Geräten spricht man zum Beispiel von einem elektrischen Wirkungsgrad, bei thermodynamischen Prozessen von einem thermischen Wirkungsgrad.
Wirkungsgrad an einem Beispiel erklärt
Betrachten wir ein Elektroauto. Bei diesem wird elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt. Die über den Akku bereitgestellte elektrische Energie ist die zugeführte Energie. Der Elektromotor ist der Energiewandler. Er wandelt die zugeführte elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Die Nutzenergie ist in diesem Fall also die Bewegungsenergie. Ein Teil der Energie wird nicht in Nutzenergie umgewandelt. Auch wenn diese Energie nicht verloren geht, wird sie Verlustenergie genannt. Sie wird jedoch lediglich in andere nicht nutzbare Energieformen wie zum Beispiel Wärme umgewandelt.
Maximalwirkungsgrad
Durch den Energieerhaltungssatz ergibt sich ein Maximalwirkungsgrad. Der Betrag der Nutzenergie kann nie über dem Betrag der zugeführten Energie liegen. Es gilt: Der Wirkungsgrad kann nie größer als 
sein.
Da in der Praxis immer Energieverluste unter anderem durch Reibung entstehen, ist immer kleiner als beziehungsweise gilt: 
.
Wirkungsgrad berechnen
Der Wirkungsgrad berechnet sich als Quotient aus der Nutzenergie und der zugeführten Energie. Die Formel für den Wirkungsgrad lautet demnach:
Dabei ist:
-
- : der Wirkungsgrad in
: die Nutzenergie in 
: die zugeführte Energie in
Durch den Zusammenhang von Leistung 
und Energie 
, kann der Wirkungsgrad auch als Quotient aus zugeführter Leistung und Nutzleistung berechnet werden:
Bei beiden Rechnungen erhalten wir einen Wert zwischen und . Um diesen Wert als Prozentzahl zu schreiben, verschieben wir das Komma um zwei Stellen nach rechts und schreiben ein Prozentzeichen hinter die erhaltene Zahl.
Gesamtwirkungsgrad berechnen
Finden mehrere Energieumwandlungen hintereinander statt, muss der Gesamtwirkungsgrad berechnet werden. Dieser ergibt sich aus der Multiplikation der einzelnen Wirkungsgrade.
Wirkungsgrad am Beispiel eines Elektromotors berechnen
Einem Spielzeug-Elektroauto wird Energie von 
zugeführt und von diesem in 
nutzbare Energie umgewandelt. Den Wirkungsgrad des Motors können wir berechnen mit:
Der Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 
. Die Verlustenergie beträgt 
. Durch Umstellen der Formel für den Wirkungsgrad können wir auch die Nutzenergie für eine zugeführte Energie von 
berechnen:
Meist muss jedoch der Wirkungsgrad des gesamten Systems, also der Gesamtwirkungsgrad, betrachtet werden.
Die Energie für das kleine Elektroauto wird von einer Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 
gewonnen. Das Netzteil zum Laden des Autos hat einen Wirkungsgrad von 
. Der Gesamtwirkungsgrad berechnet sich nun als Produkt der drei einzelnen Wirkungsgrade:
Der Gesamtwirkungsgrad beträgt also nur 
.
Wirkungsgrad – Beispiele
Die folgende Tabelle zeigt die Wirkungsgrade verschiedener Motoren und anderer Geräte aus dem Alltag.
| Energiewandler | Wirkungsgrad in % |
| Glühbirne | 3 bis 5 |
| Generator | bis zu 98 |
| Ottomotor | 30 bis 35 |
| Elektromotor | bis 80 |
| Kohlekraftwerk | 30 bis 40 |
| Windkraftanlage | 45 bis 50 |
Häufig gestellte Fragen zum Thema Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt die Effizienz von Energiewandlern an. Er wird als Verhältnis zwischen Nutzenergie und zugeführter Energie angegeben.
Der Wirkungsgrad wird entweder in Prozent oder als einheitslose Zahl zwischen und angegeben.
Der Wirkungsgrad kann mit der Formel berechnet werden.
Immer wenn Energie umgewandelt wird, spielt der Wirkungsgrad eine Rolle. Er gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie in nutzbare Energie umgewandelt werden kann.
Der größtmögliche Wirkungsgrad beträgt oder . Die Nutzenergie kann nie größer sein als die zugeführte Energie. Allerdings ist es in der Realität auch nicht möglich, einen Wirkungsgrad von zu erreichen.
Bei elektrischen Geräten spricht man auch vom elektrischen Wirkungsgrad. Er beschreibt ebenfalls das Verhältnis von nutzbarer Energie zu zugeführter Energie.