Wirkungsgrad in der Physik – Erklärung

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.

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.

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: .

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.

Finden mehrere Energieumwandlungen hintereinander statt, muss der Gesamtwirkungsgrad berechnet werden. Dieser ergibt sich aus der Multiplikation der einzelnen Wirkungsgrade.

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 .

Die folgende Tabelle zeigt die Wirkungsgrade verschiedener Motoren und anderer Geräte aus dem Alltag.