Wirkungsgrad einer Glühbirne?
Was für Werte muss man messen bei einem Experiment um am Ende den Wirkungsgrad einer Glühbirne experimentell zu ermitteln?
Man hat nur ein Spannungsmessgerät und ein Teil wo man eine Glühbirne ins Wasser macht zur Verfügung, nichts zum wiegen oder so.
Was muss man jetzt machen um am Ende den Wirkungsgrad berechnen zu können?
4 Antworten
Bei dem Wirkungsgrad möchtest du erfahren;
"Was führe ich zu und wie viel davon kann ich überhaupt für mein Vorhaben, nutzen?"
Du führst elektrische Energie zu und möchtest Lichtenergie bekommen.
Deshalb ist der Wirkungsgrad:
Mit einer Glühbirne will man ja eigentlich nur beleuchten, was sie aber ebenfalls macht, ist Wärme abzustrahlen. Die Lichtenergie besteht also nicht aus der gesamten, zugeführten elektrischen Energie, sondern wird um die Wärmemenge, die an das Wasser (eigl. auch an das Wassergefäß, aber lass uns das vereinfacht ignorieren) abgegeben wird.
Die Elektrische Energie erhalten wir mit der Strom- und Spannungsmessung über die Versuchsdauer:
Die Wärmemenge, die das Wasser aufnimmt, erhalten wir mit Hilfe der Wassermenge, ihrer Vor- und Nachtemperatur sowie ihrer bekannten, spezifischen Wärmekapazität:
Jetzt können wir alles in die obige Gleichung einsetzen:
Denkst du bei einem Schulexperiment würde man die Wärmekapazität des Gefäßes vernachlässigen?
Das kann ich dir leider nicht beantworten. Sollte das mitberücksichtig werden, kommt da eine zusätzliche Variable in die Gleichung von Q_Wasser.
Qw = (m_w * c_w + x_G) * DeltaT
x_G soll hier stellvertretend für die unbekannte Wärmekapazität des Gefäßes sein.
das ist leider alles nicht so einfach bei einer Wellenlänge von 558 Nanometern, das ist am oberen Ende von Gelb, entspricht 1 Watt 683 Lumen.
Teilen wir die 13,8 Lumen pro Watt die eine 100 Watt Glühlampe so hat, durch die 683 Lumen, kommen wir auf einen Wirkungsgrad von etwa 2%
Ich habe gerade mal ein wenig mit Excel gespielt. je geringer die Leistung einer Glühlampe ist, desto schlechter ihr Wirkungsgrad. die 25 Watt Lampe, 230 Lumen, bringts hier gerade mal auf 1,3% Wirkungsgrad. die 500er Lampe mit 8400 Lumen auf immerhin 2,5%
das ganze gilt halt eben unter der Premisse, dass wir nur den schmalen Ausschnitt des Spektrums von Gelb nehmen. und natürlich, dass wir sie als reine Lichtquelle betrachten. Ich kenne Leute, die z.B. Brutkästen mit Glühlampen beheizen... hier ist der Wirkungsgrad umgekehrt zu betrachten.
aktuelle LEDs der Klasse A erreichen übrigens auch nicht ganz 31% Wirkungsgrad!
lg, Anna
Wenn das Messgerät neben der Spannung auch den Strom erfassen kann, ist damit schon mal eine Leistungsbestimmung der durch die Glühlame fließenden Energie berechenbar.
Wenn du die Energie des Lämpchen kennst, tauchst Du es in eine definierte Menge kalten Wasser von z.B. 100 ml @ 15 Grad. Dann schaltest Du das Lämpchen ins Wasser getaucht z.B. für 60 Sekunden unter kontinuierlichem rühren ein und mißt danach noch mal die Temperatur des Wassers.
Aus der Temperaturdifferenz zwischen Anfang und Ende des Versuchs kannst Du dann in Verbindung mit der Wassermenge ermitteln, wie viel Energie es dabei aufgenommen hat.
Gleichzeitig kannst Du anhand der zuvor berechneten Leistungsaufnahme des Lämpchens auch berechnen, wie viel Energie es in den 60 Sekunden Experimentdauer umgesetzt hat.
Ich habe mir überlegt:
Du führst Energie zu: U*I
diese Energie wird in Licht und Wärme umgesetzt. Die Wärmeenergie kannst Du rausfinden in dem Du die Temperaturänderung des Wassers misst. Der Rest müsste für das Leuchten sein. Das Verhältnis der beiden Energien müsste der Wirkungsgrad sein.
Das stimmt aber nur dann, wenn das Licht vollständig aus dem Wassergefäß herauskann, ohne dort absorbiert und in Wärme umgewandelt zu werden. Darum müssen das Gefäß und das Wasser für sichtbares Licht durchsichtig sein.
Das Wasser absorbiert tatsächlich nur wenig sichtbares Lich, wie man ja sieht, und wie sein Absorptionsspektrum zeigt: https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenschaften_des_Wassers#/media/Datei:Wavelength_dependant_absorption_of_water.png
Das Gefäß sollte jedenfalls aus Glas oder transparentem Plastik sein und auf einer weißen oder spiegelnden Unterlage stehen.