Fragen zur Energie

Fragen zur Energie - SystemPhysik
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Fragen zur Energie
Aus SystemPhysik
Energie ist wohl der meist missverstandene Begriff der Physik. Im Alltag wird Energie erzeugt,
vernichtet, erneuert, veredelt oder entwertet. Der Grund für diesen umfassenden Missbrauch eines
physikalischen Begriffs ist im neunzehnten Jahrhundert zu suchen. Hätte man die Thermodynamik
auf der Basis der Bilder und Ideen von Carnot entwickelt, würden heute mehr Leute begreifen, wie
eine Wärmepumpe arbeitet oder wieso der Dieslmotor einen höheren Wirkungsgrad als der
Benzinmotor hat. Die nachfolgenden Fragen sind im Sinne eines Ratespiels zu verstehen (Frage
lesen, eigene Antwort formulieren, nachschauen und analysieren). Als Preis winkt ein umfassendes
und korrektes Verständnis des Begriffs Energie.
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Welche Rolle übernimmt die Energie in der Physik der dynamischen Systeme?
Was versteht man unter einer Prozessleistung?
Wie ist der zugeordnete Energiestrom definiert?
Was versteht man in der Physik unter Arbeit?
Was versteht man unter Wärme?
Können Arbeit, Wärme, elektrische und chemische Energie gespeichert werden?
Wieso kann man die Energie in verschiedenen Formen speichern? Wie kann man erkennen, in
welcher Form eine Energie gespeichert ist?
Was hat Einstein mit der Formel E = mc2 gemeint? In der Physik der dynamischen Systeme
verwendet man wie in der Elektrotechnik W als Formelzeichen für die Energie. Die berühmte
Formel von Einstein kann deshalb auch als W = mc2 geschrieben werden.
Kann Energie in verschiedene Formen umgewandelt werden?
Wandelt ein fallender Körper potentielle Energie in kinetische um?
Ist Energie Arbeitsvermögen?
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07.03.2008
Lösung zu Fragen zur Energie - SystemPhysik
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Lösung zu Fragen zur Energie
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1. Die Energie übernimmt in der Physik der dynamischen Systeme die Rolle einer
gebietübergreifenden Bilanzgrösse (Energie kann transportiert und gespeichert werden). Weil
der umfassende Energiebegriff weder definiert noch aus theoretischen Überlegungen
abgeleitet werden kann, sollte man solches schon gar nicht probieren.
2. In einem Prozess durchfliesst eine mengenartige Grösse (Masse, Volumen, elektrische
Ladung, Impuls, Drehimpuls, Entropie oder Stoffmenge) eine zugehörige Potenzialdifferenz
(Gravitationspotenzial, Druck, elektrisches Potenzial, Geschwindigkeit,
Winkelgeschwindigkeit, Temperatur, chemisches Potenzial). Die zugehörige Prozessleistung
ist dann Potenzialdifferenz mal Stärke des durchfliessenden Mengenstromes.
3. Einem Mengenstrom kann bezüglich einer Referenzfläche ein Energiestrom zugeordnet
werden. Die Stärke dieses zugeordneten Energiestromes ist gleich Potenzial auf der
Referenzfläche mal Stromstärke der Menge. Im Gegensatz zur Prozessleistung hängt der
Stärke zugeordnete Energiestrom von der Wahl des Potenzialnullpunktes ab. Den Begriff des
zugeordneten Energiestromes braucht man unter anderem, um die Energieänderung eines
Speichers zu rechnen.
4. Etwas salopp formuliert ist Arbeit die bezüglich eines Systems mechanisch ausgetauschte
Energie. Arbeit ist demnach eine Austauschform der Energie bezüglich eines vorher
umschriebenen und abgegrenzten Systems. Was bedeutet nun aber mechanisch (ist
mechanisch eine Eigenschaft der Energie)? Das Attribut mechanisch weist darauf hin, dass
diese Energie zusammen mit dem Impuls oder dem Drehimpuls ausgetauscht worden ist.
Arbeit kann streng genommen nur über den Begriffen Kraft und Drehmoment definiert
werden. Deshalb sollte man soweit wie möglich und zweckmässig nur von Arbeit einer Kraft
oder Arbeit eines Drehmomentes reden. Die Leistung einer Kraft und die Leistung eines
Drehmomentes entsprechen dann den zugeordneten Energieströmen (eine Kraft ist eine
bezüglich des Systems gemessene Stärke des Impulsstromes, ein Drehmoment ein bezüglich
des Systems gemessene Stärke des Drehimpulsstromes).
5. In der Physik ist Wärme die bezüglich eines Systems thermisch ausgetauschte Energie. Wärme
ist demnach eine Austauschform der Energie bezüglich eines vorher umschriebenen und
abgegrenzten Systems. Was bedeutet nun aber thermisch (ist thermisch eine Eigenschaft der
Energie)? Das Attribut thermisch weist darauf hin, dass diese Energie zusammen mit dem
Entropie ausgetauscht worden ist. Weil die in der Physik gebräuchliche Definition unseren
Alltagsvorstellung von Wärme nicht entspricht, geistert viel Unsinn herum. Streng genommen
müsste man Wörter wie Wärmespeicher, Wärmekapazität oder Wärmeerzeugung verbieten.
6. Arbeit, Wärme, elektrische und chemische Energie sind Austauschformen der Energie.
Folglich kann keine dieser Grössen gespeichert werden.
7. Die in einem System gespeicherte Energie darf nicht in Formen eingeteilt werden. Die
gespeicherte Energie heisst schlicht und einfach innere Energie des Systems. Bei den in der
Mechanik eingeführten Energieformen handelt es sich streng genommen nicht um im System
gespeicherte Energie. Die Bewegungsenergie eines Körpers, die in eine kinetische Energie und
eine Rotationsenergie unterteilt werden kann, bezieht sich immer auf ein (materielles)
Bezugssystem. Die kinetische Energie wird freigesetzt, wenn der Körper auf die gleiche
Geschwindigkeit wie das Bezugssystem gebracht wird: beim Abbremsen gibt der zwischen
Körper und Bezugssystem fliessende Impulsstrom die kinetische Energie frei. Die
Rotationsenergie wird freigesetzt, wenn der Körper auf die gleiche Winkelgeschwindigkeit
wie das Bezugssystem gebracht wird: beim Abbremsen gibt der zwischen Körper und
Bezugssystem fliessende Drehimpulsstrom die Rotationsenergie frei. Die potentielle Energie
steckt dagegen im Gravitationsfeld (bzw. im elektromagnetischen Feld). Die potentielle
Energie wird nur dem Körper zugerechnet, weil man der Gewichtskraft (bzw. der
elektromagnetischen Kraft) üblicherweise keine Arbeit zuschreibt.
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8. Albert Einstein hat 1905 folgendes geschrieben: Die Masse eines Körpers ist ein Mass für
dessen Energieinhalt; ändert sich die Energie um L, so ändert sich die Masse in demselben
Sinne um L/(9 1020), wenn die Energie in Erg und die Masse in Grammen gemessen wird.
Nach Einstein sind Masse und Energie zwei Wörter für die gleiche physikalische Grösse, d.h.
Energie selber hat die Eigenschaft der Schwere und der Trägheit. Einstein hat also nicht
behauptet, man könne aus Masse Energie produzieren oder Masse könne in Energie
umgewandelt werden (man kann eine Grösse nicht in sich selbst umwandeln). Die von
Einstein formulierte Äquivalenz von Masse und Energie relativiert einige Aussagen zur
Energie. Wenn man in umgangssprachlichen Formulierungen das Wort Energie durch den
äquivalenten Begriff Masse ersetzt, erhält man Aussagen, die von den Dadaisten kaum
schräger hätten formuliert werden können: Wärme ist eine Masseform; Masse ist
Arbeitsvermögen; erneuerbare Massen waren lange Zeit eine energiewirtschaftliche
Randerscheinung.
9. Kann Masse in verschiedene Formen umgewandelt werden? Die Physik der dynamischen
Systeme nutzt den von Einstein geschaffenen Freiraum, um die Rolle der Energie klarer zu
definieren. Die Begriffe Prozessleistung und zugeordneter Energiestrom widersprechen der
von Einstein formulierten Äquivalenz von Masse und Energie nicht direkt, sie vereinfachen
nur. Die Energie ist eine rein buchhalterische Grösse, die zusammen mit einer andern Menge
transportiert und in einem System gespeichert werden kann. Der Energieträger legt die
(Austausch-) Form der Energie fest.
10. Der fallende Körper tauscht mit dem Gravitationsfeld Impuls und Energie aus. Weil man die
im Gravitationsfeld gespeicherte Energie dem Körper zuschreibt, muss man von einer
Umwandlung reden (Umwandlung, Wandlung oder Transsubstantiation sind Begriffe aus der
Philosophie oder Theologie und sollten in der Physik nur mit Vorsicht angewendet werden).
11. Energie ist nur dann Arbeitsvermögen, wenn sie in einem Prozess freigesetzt werden kann,
wenn sie sich von einem Träger auf einen zweiten umladen lässt. Energie (Masse) ist nicht per
se Arbeitsvermögen.
Aufgabe
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