Wandler
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Ein Wandler ist im engeren Sinne ein Gerät, das eine Energieform in eine andere umwandelt.
Ineinander wandelbare Energieformen sind zum Beispiel: Masse, Mechanische Energie (auch Arbeit), thermische Energie, Strahlungsenergie, elektrische Energie, chemische Energie (Bindungsenergie), Kernenergie.
Es gelten die Hauptsätze der Thermodynamik, der Energieerhaltungssatz und die Äquivalenz von Masse und Energie, so dass jede Wandlung aufgrund der Entropie auch einen Massendefekt zur Folge hat.
Energiespeicher sind entweder im Wandler integriert (z. B. Batterie bzw. Galvanische Zelle) oder es wird externe Energiezufuhr (z. B. Brennstoffzelle) benötigt.
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[Bearbeiten] Technische Wandler
Eine Energieerzeugung oder -vernichtung ist nicht möglich, wenn auch diese Begriffe in der Alltagssprache verwendet werden. Einen Wandler von eingespeister Energie, auch Primärenergie, in Nutzenergie, auch Sekundärenergie nennt man oft auch Generator, im Fall der Erzeugung von Bewegungsenergie ist es zum Beispiel ein Motor oder ein Lautsprecher.
Wandler wandeln stets nicht exakt eine Energieform in genau eine einzige andere. Dies ist aufgrund der Entropie, siehe auch Perpetuum Mobile, nicht möglich. Jeder Wandler wandelt genau genommen immer in mindestens zwei andere Energieformen, davon ist eine die gewollte, die Nutzenergie oder Ausgangsleistung, der Rest sind die Verluste (Verlustleistung).
Demzufolge wandelt ein Übertrager oder Übersetzer genaugenommen lediglich einen Teil der Nutzenergie in die unerwünschten Energieverluste, nicht jedoch die Energieform selbst um. Ein Übertrager oder Übersetzer (zum Beispiel ein Transformator) überträgt die Nutzenergie immer mit gewissen Verlusten.
Auch ein abgeschlossenes System der Thermodynamik ist ein rein theoretisches Modell, welches vereinfachende Annahmen trifft. Geschlossene Systeme, die zwar Energie, aber keine Materie mit der Umgebung austauschen, existieren genau genommen nicht (siehe Maxwellscher Dämon). In der Realität existieren nur offene Systeme, die ständig Energie und Materie austauschen und daher nicht beliebig genau berechnet werden können.
[Bearbeiten] Wandlerarten
Wandler lassen sich nach ihren technischen Wirkungsmechanismen in zwei große Gruppen einteilen. Die Wandler der ersten Gruppe sind bidirektional, d. h. sie können in beide Richtungen funktionieren, reversibel jedoch nur mittels zusätzlicher Energie (Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile). Beispiel: Elektrodynamisch-elektromechanische Wandler: Elektromotor/Generator und Schallwandler (Lautsprecher/dynamisches Mikrofon), aber auch elektrochemische wie der Akkumulator. Häufig ist jedoch eine Richtung bevorzugt funktionsfähig, wie beim dynamischen Lautsprecher im Gegensatz zum dynamischen Mikrofon.
Unidirektionale oder irreversible sind zum Beispiel eine Ölheizung, Bremse, Brennstoffzelle oder der Ottomotor.
[Bearbeiten] Steuerwandler
Ein Gerät, bei der die eine Energieform (z. B. die akustische beim Kohlemikrofon) auf die andere, hier die elektrische, lediglich steuernd einwirkt und keine direkte Energie übertragen wird, das also ohne zusätzliche Energiezufuhr nicht funktionsfähig ist, ist ein Steuerwandler. Hier ist ein bidirektionaler Betrieb niemals möglich, kann jedoch durch eine beliebig komplexe Konstruktion und zusätzlicher Energie gebaut werden (elektronische Schaltung).
[Bearbeiten] Beispiele für Energiewandlungen
| Diagonal:Übersetzer | Mechanische Energie | Thermische Energie | Strahlungsenergie | Elektrische Energie | Chemische Energie | Nukleare Energie |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mechanische Energie | Getriebe | Bremsen | Synchrotronstrahlung | Generator | Eischnee | Reaktionen im Teilchenbeschleuniger |
| Thermische Energie | Dampfturbine Stirlingmotor |
Wärmeübertrager | Glühendes Metall | Thermoelement | Hochofen | Supernova |
| Strahlungsenergie | Radiometer | Solarkollektor | Nichtlineare Optik | Solarzelle | Photosynthese | Kernphotoeffekt |
| Elektrische Energie | Elektromotor | Elektroherd | Leuchtdiode | Transformator | Akkumulator | |
| Chemische Energie | Muskel Verbrennungsmotor |
Ölheizung | Glühwürmchen | Brennstoffzelle | Kohlevergasung | Isomerieverschiebung |
| Nukleare Energie | schnelle Neutronen | Sonne | Gammastrahlen | Innere Konversion | Radiolyse | Brutreaktor |
(Quelle: Energie). Linke Seite: Primärenergie, oben: Sekundärenergie, bei bidirektionalen Wandlern auch umgekehrt.
Echte physikalische Wandler sind z. B.:
- Elektromotoren und Generatoren
- Lautsprecher und Mikrofone
- Thermoelemente und Elektroherde
- Dampfturbinen und Verdichter/Kompressoren
- Solarzellen und Glühlampen
- Akkumulatoren und Brennstoffzellen
Auf der Diagonalen von links oben nach rechts unten stehen die „Transformatoren“ und „Übersetzer“ wie z. B. das Getriebe, Übertrager oder Geräte zur Transmission innerhalb einer physikalischen Größe. Beide gehören genau genommen nicht zu den Wandlern. Genau genommen gibt es auch keine reinen Übertrager, denn eine verlustfreie Übertragung ist nicht möglich. Dennoch wird z. B. ein elektrischer Leiter oder eine Transmissionswelle als Übertrager bezeichnet – die Verluste sind hier vergleichsweise gering.
Bei der sogenannten Energieerzeugung finden eigentlich Wandlungen von Energieformen statt. Hier wird oft in mehreren Stufen gewandelt, z. B. zuerst von chemischer in thermische, dann in mechanische und schließlich in elektrische Energie. Dabei treten jedes Mal aufgrund der Entropie Wandlungsverluste auf.
[Bearbeiten] Wandeln von Masse
Alle Wandlungen haben einen Massendefekt zur Folge. Masse und Energie sind nach der speziellen Relativitätstheorie äquivalent:
Als Definition der Ruhemasse gilt die von der mechanischen Energie befreite sogenannte Ruheenergie 
. Diese kann in andere Energieformen gewandelt werden und umgekehrt. Mit Ausnahme der Kernenergie ergibt die Äquivalenz von Masse und Energie nur extrem geringe Massenäquivalente (Massendefekte). Sie treten bei Reaktionsprodukten der Kernspaltung und der Kernfusion und in der Elementarteilchenphysik in Erscheinung. Sie sind in obiger Tabelle nicht aufgeführt.
[Bearbeiten] Wandeln chemischer Energie
Aus chemischer Bindungsenergie wird zum Beispiel thermische Energie (Verbrennung bzw. Oxidation z. B. von Kohle, Benzin, Erdgas, usw.), elektrische Energie (Brennstoffzelle, Primärbatterie) oder Strahlungsenergie (Öllampe, Chemischer Laser, Knicklicht) erzeugt.
[Bearbeiten] Wandeln thermischer Energie
Sie wandeln thermische Energie in andere Energieformen um, zum Beispiel Dampfturbinen und Dampfmaschinen, Stirlingmotor, Thermoelektrischer Generator, aber auch Verbrennungsmotoren und Gasturbinen.
[Bearbeiten] Wandeln mechanischer Energie
Generatoren setzen Rotation in Elektroenergie um. Sie erhalten ihre Energie zum Beispiel aus Wasserturbinen (potentielle Energie – kinetische Energie). Mikrofone setzen Schallenergie in elektrische Energie um. Beim Reibschweißen und dem Ultraschallschweißen wird mechanische Energie in Wärmeenergie verwandelt.
[Bearbeiten] Wandeln elektrischer Energie
Sie setzen die aus einer Stromquelle (Akkumulator, Stromnetz) entnommene Energie in andere Energieformen um. Elektroenergie kann mit einem Widerstand (Heizwiderstand) in thermische Energie umgewandelt werden. Elektromotoren erzeugen kinetische Energie (z. B. Handbohrmaschine) oder potentielle Energie (Krane).
Im Akkumulator oder bei der Elektrolyse wird chemische Energie gebunden.
[Bearbeiten] Wandeln elektromagnetischer Strahlung
Elektromagnetische Strahlung kann mit Sonnenkollektoren in Wärmeenergie oder mit Solarzellen in Elektroenergie umgewandelt werden.
[Bearbeiten] Wandeln von Nuklearenergie
Kernenergie aus dem Kernzerfall eines radioaktiven Elementes oder der Kernverschmelzung (Fusionskraftwerk, Wasserstoffbombe) erscheint als kinetische Energie der wegfliegenden Teilchen oder als Lichtquant (Gammastrahlung). Die Teilchenenergie wird durch Abbremsung in thermische Energie und dann von Thermoelementen in elektrischen Strom (Isotopenbatterie) oder in Turbinen (Atomkraftwerk) in kinetische Rotationenergie umgewandelt.
Teilchen- oder radioaktive Strahlung kann mit dem Tritiumlicht oder Leuchtfarbe in Licht, mit sogenannten betavoltaics direkt in Elektroenergie gewandelt werden.
[Bearbeiten] Effizienz
Eine hohe Effizienz, bezogen auf das Verhältnis von eingespeister Energie zu Nutzenergie Wirkungsgrad genannt, ist zur Energieeinsparung sinnvoll. Verluste sind im Einzelfall frei definierbar nicht erwünschte Energieformen, meistens Wärme, wobei durch sorgfältige Konstruktion die Wärmeverluste verringert werden können (z. B. Bremsenergierückgewinnung, Haus-Wärmedämmung, Energiesparlampe). In der Praxis gelten beim Wandlungsvorgang immer weitere Einschränkungen, die durch das Wandlungsprinzip bedingt sind.
[Bearbeiten] Genauigkeit
Bei Messwandlern ist ein verlust- oder störungsfreier Wandlungsvorgang (Messfehler) sowie 100-prozentige Genauigkeit ein theoretisches Ideal. Als Einschränkungen gelten dabei:
- Wandlungsverluste: siehe Wirkungsgrad
- Zeitliche Trägheit des Wandlerprinzips
- Ungenauigkeiten der Wandlung, etwa durch:
- Nichtlinearitäten und
- sonstige systematische Fehler, die durch Kalibrieren, Eichung usw. verringert oder eliminiert werden können
- Rauschen und zufällige Fehler, die oft einer Normalverteilung folgen, können durch Mittelwertbildung verringert werden
- äußere Störeinflüsse wie:
- Temperatur
- elektromagnetische Felder
- Feuchtigkeit
- mechanische Störungen
- können durch Messung oder Analyse zumindest teilweise kompensiert werden.
[Bearbeiten] Umgangssprachlicher Begriff Wandler
Häufig werden Geräte umgangssprachlich als Wandler bezeichnet, die nicht zwischen unterschiedlichen Energieformen wandeln, sondern übertragen oder übersetzen, Strom richten oder transformieren oder Informationen umsetzen. Zum Beispiel der Drehmomentwandler übersetzt nur ein Drehmoment in ein anderes und gehört damit zu den variablen Getrieben. Die Analog-Digital-Wandler und Digital-Analog-Wandler setzen Signale um und gehören zu den Umsetzern. Spannungswandler und Impedanzwandler gehören zu den Übersetzern bzw. Transformatoren.
Im weitesten, umgangssprachlichen Sinn verändern Wandler den Zustand eines Mediums in den eines anderen. Das Wort „Medium“ meint hier eine beliebige Größe, z. B. Informationsträger jeglicher Art, deren Parameter durch den Wandler auf Parameter des anderen Mediums übertragen werden.
Beispiele von fälschlich als Wandler bezeichneten Geräte:
- Analog-Digital-Wandler, Digital-Analog-Wandler sind: Umsetzer
- Drehmomentwandler sind: (variable) Getriebe, Übersetzer
- Impedanzwandler, Spannungswandler, Aufwärtswandler, Abwärtswandler sind: Übersetzer, Umrichter, Transformatoren
[Bearbeiten] Wandlungsprozesse in einem Kohlekraftwerk
- Die in der Kohle gespeicherte chemische Energie wird durch Verbrennen freigesetzt, es wird Wasserdampf erzeugt. (Chemische in thermische Energie)
- Die im Wasserdampf gespeicherte thermische Energie treibt eine Turbine an. (Thermische in kinetische Energie)
- Die Turbine treibt einen elektrischen Generator an. (Kinetische in elektrische Energie)
- Der erzeugte Strom wird in Transformatoren umgespannt und in das Verbundnetz eingespeist. (Keine Wandlung, sondern Transformation) Gesamtwirkungsgrad Kraftwerk und Fernleitungen (1.–4.) je nach Technik: 25–55 %
- In der Nähe des Verbrauchers wird der Strom dann wieder in Transformatoren umgespannt (transformiert). Wirkungrad 95 %.
- Ein Verbraucher entnimmt den Strom und betreibt mit ihm eine elektrische Bohrmaschine. (Elektrische in kinetische Rotationsenergie) Wirkungsgrad je nach Ausführung 20–90 %.
Der Gesamtwirkungsgrad dieser Kette von Wandlungen liegt auch im günstigsten Fall bei nur 50 %, einem Wert nahe dem theoretisch möglichen. Oft ist die Effizienz jedoch deutlich darunter (ca. 30 %).
[Bearbeiten] Geschichte
Die Erforschung der Energiewandlung wird seit langer Zeit mit hohem Aufwand betrieben, da der Bedarf an Nutzenergie ein Merkmal des Lebens und insbesondere des menschlichen Daseins ist.
Siehe hierzu zum Beispiel:
- Carnot-Kreisprozess, Wärmekraftwerk, Verbrennungsmotor
- Relativitätstheorie, Atomkraftwerk
- klassische Mechanik, Wasserkraftwerk, Windmühle, Windturbine
- Elektrotechnik, Elektromotor, Generator
Siehe dazu die Arbeiten von z. B. André Marie Ampère, Alessandro Volta, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla und Werner von Siemens.
[Bearbeiten] Siehe auch:
-
Wikibooks: Entropie – Lern- und Lehrmaterialien
-
Portal: Energie – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Energie
- Perpetuum Mobile
- Energieerhaltung
- Energiewandlung
- Übertrager
- Übersetzer
- Stromrichter
- Energie
- Umsetzer
- Tom Stoppard: Arcadia, 1.Akt, 1.Szene, Dialog zwischen Thomasina und Septimus: „Wenn du deinen Reispudding rührst, Septimus, denn verteilt sich die Marmelade herum und macht dabei rote Spuren wie in dem Bild eines Meteors in meinem astronomischen Atlas. Aber wenn du rückwärts rührst, kommt die Marmelade nicht mehr zusammen. Tatsächlich merkt der Pudding davon nichts und wird weiterhin rosa wie zuvor.“
