Physik · Klasse 8–10 · aktualisiert
Energieentwertung: Energie bleibt, Nutzbarkeit sinkt
Energie bleibt erhalten, doch ihre Nutzbarkeit kann sinken. Verfolge beim Bremsen, wohin sie gelangt und warum der Vorgang nicht von selbst rückwärts läuft.
0 von 9 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Energieentwertung bedeutet: Die Energiemenge bleibt erhalten, doch ein Teil wird verteilt und ist danach schlechter nutzbar. Beim Bremsen wird Bewegungsenergie vor allem zu innerer Energie von Bremsen und Umgebung.
Du bremst ein Fahrrad ab. Wohin geht seine Bewegungsenergie? Sie bleibt erhalten, verteilt sich aber als innere Energie auf mehrere Körper. Daran erkennst du den Unterschied zwischen Energiemenge und Nutzbarkeit.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Energie kann Bewegung antreiben, Licht liefern oder einen Körper erwärmen. Bei jeder Umwandlung bleibt die Gesamtenergie erhalten, wenn du alle beteiligten Körper mitbetrachtest. Oft nimmt aber die Möglichkeit ab, mit ihr weitere Vorgänge anzutreiben.
Wärme aus einem heißen Speicher kann noch einen Motor antreiben. Verteilt sich dieselbe Energie bei nahezu gleicher Temperatur über die Umgebung, ist sie schwerer nutzbar.
Definition
Energieentwertung
Bei der Energieentwertung bleibt die Energie erhalten. Ein Teil ist danach stärker verteilt und für weitere Vorgänge schlechter nutzbar, oft als innere Energie der Umgebung.
Beispiel
- 1Eine Taschenlampe wandelt Batterieenergie über elektrische Energie in Licht und innere Energie um.
- 2Licht und Wärme verteilen sich in der Umgebung. Die Energie kehrt nicht von selbst als Batterieenergie zurück.
Merke: Energieerhaltung beschreibt die Menge, Energieentwertung die Nutzbarkeit.
Teste dich
Ein irreversibler Vorgang kehrt nicht von selbst vollständig zum Anfang zurück. Seine Umkehr braucht einen weiteren Vorgang und verändert dabei die Umgebung.
Heißer Tee kühlt im Zimmer ab und gibt Energie an die kühlere Umgebung ab. Er wird nicht von selbst wieder heiß, während das Zimmer entsprechend abkühlt.
Eine Kugel rollt bergab und kommt durch Reibung zur Ruhe. Lageenergie wird erst Bewegungsenergie und dann überwiegend innere Energie von Kugel, Bahn und Umgebung. Diese verteilte Energie hebt die Kugel nicht von selbst wieder an.
Definition
Irreversibilität
Irreversibel heißt: Ein Vorgang läuft von selbst in einer bevorzugten Richtung. Die vollständige Rückkehr von System und Umgebung in ihre Ausgangszustände gelingt nicht.
Beispiel
- 1Oben auf dem Sprungturm besitzt eine Person Lageenergie. Beim Fallen wird daraus Bewegungsenergie.
- 2Beim Eintauchen bewegt sie Wasser; Wasser und Umgebung erwärmen sich geringfügig.
- 3Das Wasser sammelt diese verteilte Energie nicht von selbst ein, um die Person wieder hinaufzuheben.
Teste dich
Beim Bremsen lässt sich die Energiekette so lesen: Bewegungsenergie des Fahrzeugs wird zu innerer Energie von Bremsen, Reifen, Straße und Umgebung.
Wähle zuerst das System, nenne die Energieform am Anfang und verfolge Umwandlung sowie Übertragung. Prüfe dann getrennt die Gesamtmenge und die spätere Nutzbarkeit.
„Energieverlust“ hängt von der Systemgrenze ab. Aus dem Fahrrad allein kann Energie hinausgelangen; mit der Umgebung zusammen bleibt sie erhalten. Ein Perpetuum Mobile 1. Art würde ohne Energiezufuhr dauerhaft Arbeit liefern und so die Energieerhaltung verletzen. Ein Perpetuum Mobile 2. Art würde in einem Kreisprozess Wärme aus nur einem Reservoir vollständig in Arbeit umwandeln, ohne weitere Änderung; das widerspricht dem zweiten Hauptsatz.
Beispiel: Ein Fahrrad wird abgebremst
- 1Zu Beginn besitzt das fahrende Fahrrad Bewegungsenergie.
- 2Reibung überträgt Energie an Bremse, Reifen, Straße und Luft; sie erwärmen sich.
- 3Am Ende ist die Bewegungsenergie des Fahrrads kleiner, die innere Energie anderer Körper größer.
- 4Im größeren Gesamtsystem ist Energie erhalten. Die verteilte Energie beschleunigt das Fahrrad nicht von selbst erneut.
Definition
Perpetuum Mobile 2. Art
Eine solche Maschine würde Wärme vollständig in mechanische Arbeit umwandeln, ohne andere Körper zu verändern. Als periodische Maschine ist sie unmöglich.
Beispiel: Gehe dabei in vier Schritten vor
- 1Lege die Systemgrenze fest.
- 2Nenne die Energieform am Anfang.
- 3Verfolge Umwandlungen und Übertragungen.
- 4Prüfe Energieerhaltung und Nutzbarkeit getrennt.
Teste dich
Ein Teilvorgang kann gegen seine natürliche Richtung laufen, wenn ein anderer Vorgang ihn antreibt. Eine Herdplatte erwärmt abgekühltes Wasser durch zugeführte elektrische Energie. Die Temperatur des Wassers steigt; im gesamten gekoppelten Vorgang wird Energie entwertet.
Auch eine Kugel kann bergauf gezogen werden, wenn dabei ein Gewicht fällt. Die Aufwertung der Kugel benötigt eine Energieübertragung.
Entropie beschreibt, wie viele Möglichkeiten es für die Verteilung von Energie und Teilchen gibt. Bei einem spontanen Vorgang in einem isolierten Gesamtsystem kann sie nicht abnehmen. „Isoliert“ heißt hier: Weder Stoff noch Energie gelangen über die Grenze. Für eine Umkehr eines Teilvorgangs muss sich anderswo etwas verändern.
Merke: Eine Energieaufwertung im Teilprozess benötigt Energieentwertung im gekoppelten Gesamtvorgang.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Energieentwertung
Energieerhaltung
Die Gesamtmenge bleibt gleich.
Nutzbarkeit
Verteilte innere Energie ist oft schwerer zu nutzen.
Bremsen
Bewegungsenergie erwärmt Körper und Umgebung.
Systemgrenze
Energie kann einen gewählten Bereich verlassen.
Umkehr
Ein gekoppelter Vorgang kann einen Teilprozess antreiben.
Entropie
Im isolierten Gesamtsystem nimmt sie bei spontanen Vorgängen nicht ab.
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Energiebilanz beim Ausrollen
- 1Ein Rollbrett hat anfangs 96\,\mathrm{J} Bewegungsenergie. Nach dem Bremsen verbleiben 8\,\mathrm{J} Bewegungsenergie.
- 2Die Zunahme der inneren Energie beträgt E_{\mathrm{innen}}=96\,\mathrm{J}-8\,\mathrm{J}=88\,\mathrm{J}.
- 3Die 88\,\mathrm{J} erwärmen vor allem Rollen, Boden und Luft; sie sind nicht verschwunden.
- 4Prüfung: 8\,\mathrm{J}+88\,\mathrm{J}=96\,\mathrm{J}. Die Gesamtenergie stimmt, ihre Nutzbarkeit ist gesunken.
Fehler finden
Wohin geht die Bremsenergie? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 4Die 50\,\mathrm{J} sind als innere Energie auf Wagen, Bahn und Umgebung verteilt worden; Energie wurde nicht vernichtet.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Beim Bremsen wird überwiegend in umgewandelt. Für das Gesamtsystem bleibt die Energiemenge , während ihre Nutzbarkeit abnimmt.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback