Energie und Leistung sind eng miteinander verbunden, aber nicht dieselbe physikalische Größe. Energie ist die Fähigkeit, eine Veränderung herbeizuführen; Leistung ist die Geschwindigkeit, mit der Energie bewegt oder genutzt wird.
Energie
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Energie ist die Fähigkeit, eine Veränderung herbeizuführen, z. B. eine Bewegung. Aufgaben (wie das Heben einer Kiste) erfordern eine bestimmte Menge an Energie. Eine Batterie enthält eine bestimmte Energiemenge, ebenso wie eine bestimmte Menge an Brennstoff, z. B. Nahrung.
Die Basiseinheit der Energie ist das Joule. Das bedeutet, dass eine Aufgabe, wie das Anheben einer Kiste in Abbildung 1, eine bestimmte Anzahl von Joule erfordert, unabhängig davon, wie schnell die Kiste angehoben wird.
Leistung
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Leistung gibt an, wie schnell Energie genutzt oder übertragen wird – Leistung ist die Energiemenge geteilt durch die Zeit, die für die Nutzung der Energie benötigt wurde. Ihre Einheit ist das Watt, das einem Joule pro Sekunde verbrauchter Energie entspricht. Eine Kreissäge benötigt eine bestimmte Menge an Energie, um zu laufen, und wie schnell die Energie aus einer Batterie entnommen wird, bestimmt, wie lange die gespeicherte Energie reicht.
- P ist die durchschnittliche Ausgangsleistung, gemessen in Watt (W)
- ΔEsys ist die Nettoenergieänderung des Systems in Joule (J) – auch als Arbeit bekannt.
- Δt ist die Dauer – wie lange der Energieeinsatz dauert – gemessen in Sekunden (s)
Multipliziert man einen Wert der Leistung und die Zeitspanne, in der sie verbraucht wird, erhält man eine Energiemenge. Deshalb ist ein Kilowatt eine Einheit der Leistung, aber eine Kilowattstunde (1 Kilowatt mal 1 Stunde) ist eine Einheit der Energie.
Aufgaben (wie das Heben einer Kiste) erfordern eine bestimmte Energiemenge (eine bestimmte Anzahl von Joule), aber je schneller die Aufgabe erledigt wird (je kleiner Δt), desto mehr Leistung wird benötigt (mehr Watt).
Motoren vs. Gastanks
Die Energiemenge, die für eine Aufgabe benötigt wird, ist die Energiemenge. Benzintank
Der Motor eines Autos bestimmt, wie viel Kraft er ausüben kann (die mechanische Leistung wird oft in Pferdestärken angegeben, im Gegensatz zur thermischen Leistung, die angibt, wie schnell er Benzin verbrennt), während die Menge des Benzins im Tank bestimmt, wie viel Energie dem Motor zur Verfügung steht. Je größer die Benzinmenge ist, desto länger kann der Motor laufen, ohne dass ihm die Energie ausgeht. Je mehr Leistung der Motor verbraucht (z. B. beim schnellen Fahren oder beim Beschleunigen), desto kürzer ist die Zeit, in der die chemische Energie des Benzins zur Verfügung steht. Hier finden Sie eine Seite über Tricks zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs.
Kondensatoren vs. Batterien
Kondensatoren verfügen oft über einen kleinen Energievorrat, der recht schnell entladen werden kann. Diese kurze Zeitspanne bedeutet, dass sie auch bei einer geringen gespeicherten Energiemenge eine ziemlich hohe Leistung haben können (dies ist zum Beispiel bei Kamerablitzen nützlich). Batterien dagegen enthalten viel mehr Energie als ein Kondensator, entladen diese Energie aber viel langsamer, was bedeutet, dass sie eine geringere Leistung haben.
Eine Analogie mit Wasserbehältern
Abbildung 2 zeigt einen Becher mit einer kleinen Wassermenge, die schnell ausgegossen wird, und einen Krug mit einer größeren Wassermenge, die langsamer ausgegossen wird. Der Becher gibt in einer bestimmten Zeit mehr Wasser ab, aber die Gesamtmenge des abgegebenen Wassers ist geringer als beim Krug. Die Analogie ist, dass der Krug eine höhere Leistung, aber eine geringere Energie hat. Die Kanne gibt über einen längeren Zeitraum kleinere Mengen an Flüssigkeit ab. Die Analogie wird fortgesetzt, indem der Krug eine geringere Leistung, aber mehr Energie hat. Der Krug gibt sein gesamtes Wasser (Energie) sehr schnell ab. Umgekehrt speichert der Krug viel mehr Wasser (Energie), auch wenn er es nicht schnell verliert.