Dissipation

Grundbegriff und Bedeutung

Dissipation bezeichnet in der Physik den Vorgang, bei dem in einem dynamischen System die Energie einer makroskopisch gerichteten Bewegung, die grundsätzlich in andere Energieformen umwandelbar ist, in thermische Energie übergeht. Diese thermische Energie entspricht der ungeordneten Bewegung der Moleküle und ist anschließend nur noch teilweise umwandelbar. Ein System mit solchen Vorgängen heißt dissipativ.

Dissipation tritt vor allem durch Reibung, Drosselung oder Stöße auf. Sie ist mit irreversiblen Vorgängen verbunden: Der ursprüngliche Zustand kann nicht vollständig ohne weitere Änderungen wiederhergestellt werden. Ein typisches Beispiel ist die gedämpfte Schwingung, bei der Bewegungsenergie allmählich in thermische Energie übergeht.

Dissipation in der Thermodynamik

In der Thermodynamik heißen die durch Reibungs-, Drosselungs- oder Stoßvorgänge verursachten Arbeiten Dissipationsarbeiten. Bei ihnen wird mechanische oder anderweitig nutzbare Energie in thermische Energie beziehungsweise innere Energie umgewandelt. Dabei nimmt die Entropie zu. Anders ausgedrückt wird Exergie, also der nutzbare Anteil der Energie, in Anergie, also nicht mehr nutzbare Energie, umgewandelt. Dies steht im Zusammenhang mit dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Dissipationsarbeiten sind Prozessgrößen. Ihr Wert hängt daher vom durchlaufenen Weg und nicht nur vom Anfangs- und Endzustand ab.

In einem abgeschlossenen System ist Dissipation eine wesentliche Ursache irreversibler thermodynamischer Prozesse. Besonders anschaulich ist dies in einem geschlossenen, adiabaten System. Bei einem Ventilator führt die starre Systemgrenze dazu, dass keine Volumenänderungsarbeit geleistet wird. Die eingebrachte Arbeit wird deshalb vollständig durch Reibung dissipiert. Elektrische Energie wird in einem Heizelement in Wärme umgewandelt und über das System verteilt.

Ist die Wand eines Behälters wärmer als sein Inneres, fließt Wärme ungenutzt von warm nach kalt. Ihr exergetischer Anteil wird dissipiert. Theoretisch könnte beim Temperaturausgleich über einen Carnot-Prozess reversibel Arbeit erzeugt und nach außen abgegeben werden.

Bei einem Druckunterschied strömt Gas durch eine Düse von der Kammer mit höherem Druck in die Kammer mit niedrigerem Druck. Beim Drosselprozess wird die dabei mögliche Arbeit dissipiert. Ein reversibler Druckausgleich wäre beispielsweise über einen beweglichen Kolben mit Kraftübertragung nach außen möglich. Alternativ könnte hinter der Düse ein Windrad Arbeit leisten.

Dissipation in weiteren Fachgebieten

In der Akustik und allgemein in der Wellenlehre beschreibt die Dissipationskonstante, auch Absorptionskoeffizient genannt, die Schwächung von Schallwellen. Sie entsteht dadurch, dass Schallenergie in thermische Energie umgewandelt wird.

Bei einem Heißleiter mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC, englisch: Negative Temperature Coefficient) ist die Dissipationskonstante ein Temperaturbeiwert, der in der Regel für stehende Luft angegeben wird. Bei Kontakt mit Wasser verändert sich diese Konstante. Auch bei der Schwächung elektromagnetischer Wellen in Materialien geht die Dissipation in den Absorptionskoeffizienten ein.

In der Werkstofftechnik bezeichnet Dissipation im Zusammenhang mit dem Werkstoffkreislauf den Verbrauch von Rohstoffen. Dazu gehören nicht auszugleichende Verluste wie Korrosion, Abrieb und andere Verluste, die breit über die Erdoberfläche verteilt sind. Der Rohstoff kann dann nicht zurückgewonnen werden.

In der Meteorastronomie verursacht Dissipation bei Sternschnuppen mit Geschwindigkeiten zwischen 12 und 70 km/s deren Leuchterscheinung. Diese entsteht in etwa 100 km Höhe.

Beispiel Verbrennungsmotor

In einem Verbrennungsmotor wird durch Reibung zwischen den Kolbenringen und den Zylinderwänden ein Teil der zuvor aus Wärmeenergie erzeugten Volumenarbeit wieder in innere Energie umgewandelt. Dadurch wird weniger mechanische Arbeit nach außen übertragen. Die Dissipation senkt somit den Wirkungsgrad des Motors.