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Energieentwertung: Energie bleibt, Nutzbarkeit sinkt
Bei einer Energieentwertung verschwindet keine Energie. Die Gesamtenergie bleibt erhalten, doch ein Teil verteilt sich so in der Umgebung, dass er schlechter für weitere Vorgänge nutzbar ist. Du erkennst das zum Beispiel beim Bremsen oder beim Abkühlen von Tee.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was wird bei der Energieentwertung entwertet?
Energie kann Bewegung erzeugen, einen Gegenstand anheben, eine Lampe betreiben oder einen Körper erwärmen. Bei realen Vorgängen bleibt ihre Menge insgesamt gleich. Ihre Nutzbarkeit kann jedoch abnehmen.
Energieentwertung
Energieentwertung bedeutet: Energie bleibt erhalten, liegt nach einem Vorgang aber teilweise in einer schlechter nutzbaren und stärker verteilten Form vor. Häufig handelt es sich um innere Energie der Umgebung.
Innere Energie auf hohem Temperaturniveau ist durchaus nutzbar. Ein heißes Reservoir kann beim Abkühlen einen Wärmemotor antreiben. Ist die Energie dagegen bei nahezu gleicher Temperatur weit in der Umgebung verteilt, lässt sie sich nur schwer weiter nutzen.
Eine Taschenlampe wandelt chemische Energie der Batterie zunächst in elektrische Energie und anschließend in Licht und innere Energie um. Die Energie ist danach nicht verschwunden. Sie wurde jedoch größtenteils an die Umgebung verteilt und steht nicht erneut als chemische Batterieenergie bereit.
Energieerhaltung betrifft die Menge. Energieentwertung betrifft die Nutzbarkeit.
Warum laufen viele Vorgänge nur in eine Richtung?
Ein Vorgang heißt irreversibel, wenn er nicht von selbst vollständig in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Die meisten beobachtbaren Vorgänge sind irreversibel und mit Energieentwertung verbunden.
Irreversibilität
Ein irreversibler Vorgang hat eine natürliche Richtung. Seine vollständige Umkehr benötigt einen weiteren Vorgang und hinterlässt Veränderungen in der Umgebung.
Eine heiße Tasse Tee gibt Energie an die kühlere Umgebung ab. Schließlich nähern sich beide Temperaturen an. Der Tee nimmt nicht von selbst genau diese verteilte Energie wieder auf und wird heiß, während die Umgebung entsprechend abkühlt.
Auch eine Kugel, die bergab rollt und durch Reibung zum Stillstand kommt, kehrt nicht selbstständig auf ihre Ausgangshöhe zurück. Ihre mechanische Energie wurde hauptsächlich als innere Energie an Kugel, Untergrund und Umgebung übertragen.
Ein Turmspringer besitzt oben Lageenergie. Beim Fallen wird daraus Bewegungsenergie. Beim Eintauchen werden Wasser und Umgebung bewegt und geringfügig erwärmt. Das Wasser sammelt diese verteilte Energie nicht von selbst wieder ein, um den Springer auf den Turm zu heben.
Wie erklärst du Energieentwertung beim Bremsen?
Beim Bremsen eignet sich eine Energiekette, um die Umwandlungen und Übertragungen sichtbar zu machen:
Bewegungsenergie des Fahrzeugs → innere Energie von Bremsen, Reifen, Straße und Umgebung
Gehe dabei in vier Schritten vor:
- Lege fest, welches System du betrachtest.
- Benenne die Energieform am Anfang.
- Verfolge Umwandlungen und Übertragungen.
- Prüfe getrennt, ob die Energiemenge erhalten und die Nutzbarkeit gesunken ist.
Ein Fahrrad fährt und wird bis zum Stillstand abgebremst.
- Anfang: Das Fahrrad mit der fahrenden Person besitzt Bewegungsenergie.
- Beim Bremsen: Reibung erwärmt Bremsen, Reifen und Umgebung.
- Ende: Die Bewegungsenergie des Fahrrads ist kleiner geworden; die innere Energie anderer Körper ist entsprechend größer geworden.
- Bewertung: Für ein ausreichend großes Gesamtsystem ist die Energie erhalten. Die verteilte innere Energie bringt das Fahrrad jedoch nicht von selbst wieder auf Geschwindigkeit. Energie wurde entwertet.
Der Ausdruck Energieverlust hängt von der Systemgrenze ab. Betrachtet man nur das Fahrrad, verlässt Energie dieses System. Betrachtet man Fahrrad und Umgebung zusammen, ist sie weiterhin vorhanden. In keinem Fall wird Energie vernichtet.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Beim Bremsen wird überwiegend in umgewandelt. Für das Gesamtsystem bleibt die Energiemenge , während ihre Nutzbarkeit .
Welche Grenzen gelten für Wärme und Maschinen?
Ein heißes Reservoir kann beim Abkühlen Arbeit liefern. Dazu braucht eine Wärmekraftmaschine zugleich ein kälteres Reservoir, das einen Teil der Energie aufnimmt. Die entzogene innere Energie lässt sich deshalb nicht vollständig in mechanische oder elektrische Energie umwandeln, ohne die Umgebung zu verändern.
Perpetuum Mobile 2. Art
Ein Perpetuum Mobile 2. Art wäre eine Maschine, die innere Energie vollständig in mechanische Energie umwandelt, ohne weitere Veränderungen zu verursachen. Eine solche Maschine ist unmöglich.
Davon ist das Perpetuum Mobile 1. Art zu unterscheiden: Es würde dauerhaft Arbeit verrichten, ohne Energie zugeführt zu bekommen. Damit würde es den Energieerhaltungssatz verletzen.
Die beiden unmöglichen Maschinen scheitern aus verschiedenen Gründen: Die 1. Art widerspricht der Energieerhaltung. Die 2. Art berücksichtigt die unvermeidliche Energieentwertung nicht.
Wie können Vorgänge trotzdem umgekehrt werden?
Ein einzelner Teilvorgang kann aufgewertet oder gegen seine natürliche Richtung angetrieben werden. Dafür muss ein gekoppelter Gesamtvorgang Energie entwerten.
Eine Herdplatte erwärmt abgekühltes Wasser. Das Wasser wird also scheinbar „zurückgespult“. Die Erwärmung geschieht jedoch nicht von selbst: Elektrische Energie wird bereitgestellt und bei der Stromerzeugung sowie beim Heizen entwertet.
Auch eine Kugel kann bergauf rollen, wenn etwa ein herabfallendes Gewicht sie zieht. Die Energieaufwertung der Kugel wird dann durch die Energieentwertung des gekoppelten Vorgangs ermöglicht.
Energieaufwertung in einem Teilprozess benötigt Energieentwertung im gesamten gekoppelten Vorgang.
Vertiefung: Entropie
Die Entropie ist eine physikalische Zustandsgröße, mit der Irreversibilität quantitativ beschrieben wird. Energieentwertung entspricht bei irreversiblen Vorgängen einer Entropieerzeugung. In einem geschlossenen System kann die Gesamtentropie nicht abnehmen.
Das erklärt die natürliche Richtung vieler Vorgänge: Wärme fließt von selbst von heiß nach kalt, Stoffe verteilen sich und mechanische Bewegung kommt durch Reibung zur Ruhe. Eine Umkehr kann stattfinden, aber nur zusammen mit weiteren Veränderungen, bei denen insgesamt Entropie erzeugt wird.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Energieentwertung
- Energie bleibt mengenmäßig erhalten
- Nutzbarkeit nimmt ab
- Irreversible Vorgänge haben eine natürliche Richtung
- Bremsen verteilt Energie als innere Energie
- Energieverlust hängt von der Systemgrenze ab
- Energieaufwertung braucht einen gekoppelten Vorgang
- Entropie beschreibt Irreversibilität quantitativ
Abschluss-Check
Wenn du bei einem neuen Beispiel die Systemgrenze, die Energieformen, die Übertragungsrichtung und die spätere Nutzbarkeit nennst, kannst du Energieerhaltung und Energieentwertung sauber auseinanderhalten.