Leistung (Physik)


Leistung (Physik)
Physikalische Größe
Name Leistung
Formelzeichen der Größe P
Abgeleitet von \frac{\Delta E}{\Delta t}  Energie je Zeit
Größen- und
Einheiten-
system
Einheit Dimension
SI Watt
\mathrm{W = \frac{Nm}{s}}
\mathrm{{} = \frac Js\, = \frac{kg\, m^2}{s^3}}
M·L2·T-3
CGS \mathrm{\frac{erg}{s} = \frac{cm^2\, g}{s^3} }
\mathrm{= 10^{-7}\,W}
Anmerkungen
Penglisch power
Siehe auch: Elektrische Leistung; Wärmestrom

Die Leistung ist eine physikalische Größe, die – kurz gesagt – für Energie pro Zeit steht. Dabei ist zu unterscheiden, dass mit dem Begriff Leistung die tatsächlich gegebene Leistung (Kennzeichen eines Verbrauchs oder einer Energieabgabe) gemeint sein kann oder die installierte oder maximal mögliche Leistung (Kennzeichen eines Gerätes oder einer Installation).

Inhaltsverzeichnis

Definitionen

Die Leistung P (von englisch power) ist der Quotient aus verrichteter Arbeit ΔW oder dafür aufgewendeter Energie ΔE und der dazu benötigten Zeit Δt :

P = \frac{\Delta E}{\Delta t} = \frac{\Delta W}{\Delta t}\ .
Beispiel
Wird eine Energie von 1 Kilowattstunde in einer Zeitspanne von 1 Stunde bezogen, dann beträgt die Leistung 1 Kilowatt.
Wird dieselbe Energie in einer kürzeren Zeit bezogen, dann ist die Leistung größer; bei Bezug von 1 Kilowattstunde in ½ Stunde ist die Leistung 2 Kilowatt.

Bei zeitlich veränderlicher Leistung, beispielsweise im Lautsprecher oder im elektrischen Energieversorgungsnetz, gibt es eine Augenblicksleistung beziehungsweise Momentanleistung P(t), die sich aus dem Grenzwert ergibt, wenn der Zeitabschnitt Δt gegen null geht:

P(t) = \lim_{\Delta t\rightarrow 0} \frac{\Delta W}{\Delta t}\ {,}

also als Differentialquotient

P(t) = \frac{\mathrm{d}W(t)}{\mathrm{d}t}\ .

Eher messbar ist eine in einem Zeitintervall der Länge T = \left[ t_1, t_2 \right] verrichtete mittlere Leistung \overline P

\overline P = \frac1T\int_{t_1}^{t_2} P(t)\mathrm{d}t\,

Diese Angabe hat insbesondere Bedeutung, wenn P(t) sich periodisch ändert und T die Periodendauer ist.

Mechanische Leistung

Physikalische Zusammenhänge

Um in einer Zeitänderung dt eine Streckenänderung ds mit der Geschwindigkeit v(t) = \tfrac{\mathrm ds(t)}{\mathrm dt} gegen eine Kraft F zurückzulegen, ist nach der obigen Definition also eine Leistung

P(t) = \frac{F(t) \, \mathrm ds(t)}{\mathrm dt} = F\cdot v

bzw. vektoriell

P(t) = \frac{\vec F(t) \cdot \mathrm d\vec s(t)}{\mathrm dt} = \vec F \cdot \vec v

nötig.

Für die Rotation um eine Winkeländerung \mathrm d\varphi gegen ein Drehmoment M gilt analog

P(t) = \frac{M(t)\, \mathrm d\varphi(t)}{\mathrm dt} = \vec M\cdot \vec \omega \ ,

wobei \vec \omega = \tfrac{\mathrm d\varphi}{\mathrm dt}\; \vec e die Winkelgeschwindigkeit und \vec e der Einheitsvektor in positiver Richtung der Drehachse ist.

Mit der Drehzahl (Zahl der Umdrehungen pro einer gegebenen Zeitspanne) n=\tfrac{\omega}{2\pi}\ ist

P=2\pi\ M\cdot n\ .

Technische Anwendung

Der Größenwert einer physikalischen Größe x wird gemäß Festlegung in DIN 1313 angeben als Produkt aus Zahlenwert {x} und Einheit [x], also x = {x}·[x]. Jedoch wird in technischen Anwendungen teilweise mit Zahlenwertgleichungen gerechnet, also ohne Angabe der Einheiten. Gibt man die Größen folgendermaßen an:

  • die Leistung in Kilowatt, also mit [P] = kW,
  • die Drehzahl in Umdrehungen je Minute, also mit [n] = min–1,
  • das Drehmoment in Newtonmeter, also mit [M] = Nm,

dann kann bei zwei bekannten Größen mit der Zahlenwertgleichung

\{ P\} = \frac {\{ M\} \cdot \{ n\}} {9550}

die fehlende Größe hinreichend genau berechnet werden. Mit der Umrechnung der Einheiten   1 Nm = 1 Ws   ist die in der technischen Literatur angegebene Zahl 9550 der mit drei signifikanten Stellen angegebene Rundungswert für

\frac{[P]}{2\pi \;[M]\cdot[n]}= \frac{\mathrm{kW \cdot min}}{\mathrm{2\pi\;Nm}} =\frac{\mathrm{1000\;W\cdot 60\;s}}{\mathrm{2\pi\;Ws}} \approx 9549{,}3 .

Diese Umrechnung gilt für mechanische Leistung, nicht für die aus dem Energieversorgungsnetz bezogene elektrische Leistung; der Wirkungsgrad wird von der Umrechnung nicht erfasst. Anschaulich wird deshalb auch von der Wellenleistung gesprochen.

Elektrische Leistung

Die elektrische Leistung, die in einem Bauelement mit dem Widerstand R umgesetzt wird, ist bei konstanten Größen das Produkt von elektrischer Spannung U und Stromstärke I

P=U\cdot I =I^2\cdot R=\frac{U^2}{R}\ .

Bei zeitlich veränderlichen Größen u(t) und i(t) wird entsprechend der Augenblickswert der Leistung P(t) definiert als

P(t) = u(t)\cdot i(t)\ .

Statt dieser schwankenden Größe werden bevorzugt über Mittelwertbildung definierte, für periodische Wechselstromgrößen zeitlich konstante Leistungsangaben verwendet:

Hydraulische Leistung

Die hydraulische Leistung ist das Produkt von Druck p und Volumenstrom Q der Hydraulikflüssigkeit.

P = p \cdot Q\,

Beispiele

Da die Leistung, die nach den oben genannten Definitionen eine Ableitung der Energie nach der Zeit darstellt, universelle Vorgänge in einem Bereich von den Quarks bis zur Supernova beschreibt, umfasst ihre Manifestation viele Größenordnungen.

  • low-current-LED: 3 mW
  • maximale Schallleistung eines großen LKW-Motors: etwa 1 W
  • Taschenlampe mit Glühlampe: etwa 3 W
  • Glühlampe im Haushalt: etwa 60 W
  • Dauerleistung eines Menschen: 70 W
  • Kühlschrank (nur wenn Kompressor läuft): etwa 200 W
  • kurzzeitig mögliche Leistungsabgabe eines Erwachsenen: etwa 1000 W
  • Pferd, Dauerleistung (Pferdestärke, PS): etwa 735 W (historische Definition: 75 kg in einer Sekunde um einen Meter heben)
  • Heizlüfter: etwa 2 kW
  • Zentralheizung in einem Einfamilienhaus (max. Heizleistung): etwa 15 … 20 kW
  • Pkw (max. Fahrleistung): 30 … 200 kW
  • Pkw (max. Leistungsaufnahme): etwa 150 … 600 kW
  • Windkraftanlage bei Wind: etwa 800 … 6000 kW
  • Fahrzeugwindkanal: etwa 3 MW
  • ICE3-Doppeltraktion: etwa 16 MW
  • Kohlekraftwerk, 1 Block: etwa 500 … 1000 MW
  • Kernkraftwerk: etwa 800 … 1500 MW
  • Leuchtkraft der Sonne: 386 YW (3,86 ∙ 1026 W)

Siehe auch


Wikimedia Foundation.