Energieentwertung

Übergreifend

Energieentwertung

  • Welche verschiedenen Energieformen gibt es?
  • Was versteht man unter reversiblen …
  • … und was unter irreversiblen Vorgängen?
  • Wann wird Energie entwertet?

Bei der Betrachtung von Vorgängen, die auf der Welt zu beobachten sind, stellt man fest, dass die allermeisten Prozesse nur in eine Richtung ablaufen.
Bei diesen irreversiblen Vorgängen wird immer innere Energie an die Umgebung abgegeben. Die Umkehrung der Vorgänge wäre aus der Sicht des Energieerhaltungssatzes wohl möglich, es kommt jedoch nicht vor, dass sich z.B. ein Schwimmbecken abkühlt und die dabei freiwerdende Energie dazu verwendet wird, einen Turmspringer wieder vom Becken auf den Turm zu heben.


Offensichtlich kann man mit der bei irreversiblen Prozessen auftretenden Umgebungswärme nicht so viel anfangen wie z.B. mit der Lageenergie eines Körpers. Man sagt auch die innere Energie der Umgebung ist weniger wert als z.B. eine betragsmäßig gleich große mechanische Energie.


Beim Sprung vom Turm, allgemeiner bei jedem irreversiblen Vorgang, findet eine Energieentwertung statt. Man hat insgesamt nach dem Prozess zwar die gleiche Energiemenge wie vor dem Prozess, jedoch z.T. in einer Form, die sich nicht mehr gut nutzen lässt.

Prinzip der Energieentwertung:
Irreversibel ablaufende Vorgänge sind mit einer Energieentwertung verbunden.

Umgangssprachlich bezeichnet man dies oft als "Energieverlust". Du weißt jedoch inzwischen, dass Energie nie verloren gehen kann. Man meint mit dem Begriff "Energieverlust", dass nach dem Vorgang weniger hochwertige Energie, wie sie z.B. die mechanische oder elektrische Energie darstellt, vorhanden ist.

Hinweis:
Oft spricht man auch vom "Wasserverbrauch" im Haushalt. Hier meint man nicht, dass das Wasser verschwindet, sondern dass das Wasser nach einem Vorgang in wertloserer Form vorliegt:
In der Küche, im Bad, auf der Toilette benutzen wir Wasser, das wir anschließend in der Regel nicht mehr als Trinkwasser benutzen können, es hat kein Verbrauch des Wassers stattgefunden, sondern eine Entwertung.



Energiepyramide

Die Animation mit dem heißen Tee oder aber auch unsere gesamten Wärmemotoren zeigen, dass nicht nur mechanische oder elektrische Energie, sondern auch innere Energie auf einem hohen Temperaturniveau eine wertvolle Energieform darstellt (vergleiche hierzu auch die nebenstehende "Energiepyramide").

Durch Abkühlung eines heißen Energiereservoirs kann sehr wohl mechanische oder elektrische Arbeit verrichtet werden. Es gelingt jedoch mit einer Maschine nie, die dem heißen Reservoir entzogene innere Energie vollständig in mechanische oder elektrische Energie zu wandeln. Der Prozess ist immer mit der Erwärmung eines kälteren Reservoirs (meist Umgebung) verbunden (linke Seite der Animation).

Arbeitsverrichtung durch Abkühlung eines kalten und Erwärmung eines heißen Reservoirs ist nicht möglich (rechte Seite der Animation).

Hinweise:

  • Die vollständige Umwandlung von innerer Energie in mechanische Energie (ohne Veränderung der Umwelt) würde man als Perpetuum Mobile der 2. Art bezeichnen. Nach dem oben Gesagten ist ein Perpetuum Mobile 2. Art nicht möglich.
  • Zur Erinnerung: Eine Maschine, die mechanische Arbeit verrichtet ohne dass ihr Energie zugeführt wird, bezeichnet man als Perpetuum Mobile 1. Art. Der Energieerhaltungssatz verbietet das Perpetuum Mobile 1. Art.
  • Dem österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann gelang es ein Maß für die Energieentwertung - die Entropie - zu finden. In der Oberstufe wirst du darüber etwas mehr erfahren. Die Aussagen, welche wir mit dem Begriff Energieentwertung beschrieben haben, werden in der "höheren" Physik mit dem 2. Hauptsatz der Wärmelehre beschrieben.
  • Der Begriff "Energieentwertung" beschreibt einen Wertverlust, was etwas negativ klingt. Man muss sich aber darüber klar sein, dass ohne Energieentwertung die Welt im jeweils vorhandenen Zustand erstarrt bliebe und keine Veränderung möglich wäre.

Wenn man Statistiken zur Energietechnik betrachtet, so treten immer wieder die Begriffe Primär-, End- und Nutzenergie auf. Erklärungen für diese Begriffe:

Primärenergie
Unter Primärenergie versteht man die primär aus Energiequellen verfügbare Energie (z.B. Brennwert von Kohle). Primärenergieträger sind z.B. Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Ergas, Wasser, Wind, Kerbrennstoffe, Solarstrahlung usw.
Die Primärenergie wird durch Kraftwerke, Raffinerien usw. in die sogenannte Endenergie umgewandelt. Dabei kommt es Umwandlungsverlusten. Ein Teil der Primärenergie wird dem nichtenergetischen "Verbrauch" zugeführt (z.B. Rohöl für die Kunststoffindustrie).

Endenergie
Die - gegebenenfalls durch Umwandlung von Primärenergie - dem Verbraucher zugeführte Energie. Zum Beispiel wird aus dem Primärenergieträger Kohle die Fernwärme gewonnen und dem Verbraucher bereitgestellt. Weitere Endenergieträger können sein: Treibstoffe, Strom, Gas usw.

Nutzenergie
Unter der Nutzenergie versteht man denjenigen Anteil der Endenergie, welcher vom Verbraucher nach Abzug von Verlusten bei der Nutzung zur Verfügung steht (z.B. Licht; mechanische Energie eines Motors usw.).

Energiefluss in der BRD im Jahre 2000 (nach BMWi)
sämtliche Prozentangaben beziehen sich auf die Primärenergie

Faustregel über das Verhältnis der Energien:

Primärenergie : Endenergie : Nutzenergie = 3 : 2: 1

 

In den folgenden drei (sehr schematischen) Animationen sind Vorgänge dargestellt, bei denen Energieumwandlungen stattfinden.

Sprung ins Wasser und zurück?
Modell einer elektrischen Schweißanlage.
Beim Annähern der Elektroden kommt es zum Lichtbogen, die Elektroden und die Umgebungsluft werden erwärmt. Umkehrbar?
Eine Tasse mit heißem Tee steht im kühlen Raum. Der Tee kühlt ab. Kann auch der Raum abkühlen und dabei den Tee erwärmen?

Betrachte die in den drei Animationen angedeuteten Vorgänge und beurteile, ob diese tatsächlich so stattfinden können. Überlege dir auch welche Energieumwandlungen stattfinden.

Auf der Seite http://www.lpg.musin.de/physik/geheimnis-zeit/geheimnis_zeit.html des Luitpold-Gymnasiums in München haben Schüler unter der Leitung von Herrn J. Hoffmüller kleine, recht pfiffige Videofilme zum Thema "Reversible und irreversible Vorgänge" erstellt. Aus dieser Seite findest du auch eine Anleitung, wie du selbst solche Filme erstellen kannst

Aus den Animationen, Filmen und der eigenen Erfahrung erkennt man:

  • Es gibt reversible Vorgänge. Ein Film des Vorgangs kann vorwärts und rückwärts ablaufen und beides scheint uns real möglich. Annähernd reversible Vorgänge sind in der Natur nur möglich, wenn es gelingt die Reibung weitgehend auszuschließen.

  • Die allermeisten Vorgänge in der Natur verlaufen in eine Richtung. Man sagt sie sind irreversibel.

Wenn man Statistiken zur Energietechnik betrachtet, so kommen dort die verschiedensten Energieeinheiten vor. Die wichtigsten sollen kurz erläutert und die Umrechnungsfaktoren angegeben werden.

1 Joule = 1J
Das Joule ist die in der Physik verbindliche Energieeinheit. Sie wird vor allem bei der Angabe von mechanischer und innerer Energie verwendet.
Wissenswert: 1J = 1Ws

Veranschaulichungen:

  • Ein Gegenstand mit einer Masse von 1kg kann auf der Erde unter dem Aufwand von 10J um etwa 1m gehoben werden.
  • 1 Liter Wasser kann mit 400000J von 10°C auf ca. 100°C erwärmt werden.

1 Kilowattstunde = 1kWh
Die Kilowattstunde wird hauptsächlich bei der Angabe von elektrischen Energien verwendet. Die Umrechnung in andere Einheiten kann der Tabelle über Umrechnungsfaktoren entnommen werden.

Steinkohleeinheiten
Diejenige Energie, die bei der Verbrennung von einem Kilogramm typischer Steinkohle frei wird, bezeichnet man als 1kg SKE. Diese Einheit ist immer noch in der Energiewirtschaft gebräuchlich. Häufig verwendet man auch 1t SKE (Energie, die bei der Verbrennung von einer Tonne Steinkohle frei wird).

Öleinheiten
Diejenige Energie, die bei der Verbrennung von einem Kilogramm Öl frei wird, bezeichnet man als 1kg ÖE (Obereinheit 1t ÖE).

Umrechnungsfaktoren

Einheit
Faktor zur Umrechnung in
kJ
kWh
kg SKE
kg ÖE
1 m3 Erdgas
1 kJ
1
2,78·10-4
3,40·10-5
2,40·10-5
3,20·10-5
1 kWh
3,60·103
1
0,12
0,086
0,11
1 kg SKE
2,93·104
8,14
1
0,70
0,92
1 kg ÖE
4,19·104
1,16·101
1,43
1
1,32
1 m3 Erdgas
3,17·104
8,82
1,08
0,76
1

Beispiel für die Anwendung der Tabelle:
Aufgabe: Rechne 5 kg SKE in J um.
Lösung: 5 kg SKE =  5·2,93·104·103J =1,47 ·108 J

Ober- und Untereinheiten (Präfix)

Präfix
Kürzel
Zehnerpotenz
in Worten
micro
μ
10-6
Millionstel
milli
m
10-3
Tausendstel
Kilo
k
103
Tausend
Mega
M
106
Million
Giga
G
109
Milliarde
Tera
T
1012
Billion
Peta
P
1015
Billiarde
Exa
E
1018
Trillion
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