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Grundwissen

Energieentwertung durch Reibung

Warum kommen auf der Erde alle Bewegungen früher oder später zum Stillstand?

  • Bei der Betrachtung von mechanischen Systemen wird die Reibung oft vernachlässigt.
  • In realen Systemen tritt (außer im Weltraum) allerdings immer Reibung auf.
  • Das Auftreten von Reibung ist mit einer irreversiblen Energieentwertung verbunden.
Aufgaben Aufgaben

Reversible Vorgänge

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Abb. 1 Bewegung eines Rollerskaters in einer Halfpipe ohne Reibungsverluste

In vielen Beispielen für Energieumwandlungen werden zwei Energieformen reibungsfrei ineinander umgewandelt. Im der Animation in Abb. 1 sind dies die Energieformen potentielle Energie und kinetische Energie. Beim Herabfahren der Halfpipe wird potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, beim Hochfahren wird die kinetische Energie wieder in potentielle Energie umgewandelt.

Ohne Reibung ist der Skater nach einmal Hin- und herfahren wieder exakt an dem Punkt, an dem er losgefahren ist und besitzt exakt dieselbe potentielle Energie. Man nennt solche Energieumwandlungen reversibel, oder umkehrbar. Würdest du einen reversiblen Vorgang filmen und den Film erst vorwärts und dann rückwärts abspielen, würdest du keinen Unterschied feststellen können.

Reversible Vorgänge

Reversible Vorgänge können vorwärts und rückwärts ablaufen. Der Startzustand lässt sich nicht vom Endzustand unterscheiden.

Verständnisaufgabe

Formuliere für das in Abb. 1 dargestellte System den Enegieerhaltungssatz.

Lösung

Gesamtenergie muss konstant sein

\[E_{\text{kin}}+E_{\text{pot}}=\text{konst.}\]

 

Alternative Formulierung: Änderungen zwischen den Teilenergien heben sich auf:

\[\Delta E_{\text{kin}}+\Delta E_{\text{pot}}=0.\]

Irreversible Vorgänge

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Abb. 2 Bewegung eines Rollerskaters in einer Halfpipe mit Reibungsverlusten

In der Realität wird der Skater mit jedem Durchgang durch die Halfpipe ein klein wenig an Höhe verlieren, bis er schließlich am tiefsten Punkt zum Stillstand kommt, wie in der Simulation in Abb. 2 gezeigt. Dies liegt an den wirkenden Reibungskräften, die bei jedem Durchgang des Skaters einen Teil der Gesamenergie in innere Energie (= Wärmeenergie) umwandeln.

In realen Systemen kann also nicht die gesamte potentielle Energie in kinetische Energie und wieder zurück in potentielle Energie umgewandelt werden. Solche Vorgänge nennt man irreversibel. Trotzdem gilt natürlich weiterhin der Energieerhaltungssatz:\[E_{\text{kin}}+E_{\text{kin}}+E_{\text{i}}=konst.\]

 

Warum sind Reibungsvorgänge irreversibel?

Durch die auftretenden Reibungskräfte wird ein Teil der Gesamtenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Anders als z. B. potentielle oder kinetische Energie lässt sich Wärmeenergie jedoch nicht so einfach wieder zurück in andere Energieformen umwandeln. Daher ist Wärmeenergie für den weiteren Umwandlungsprozess ‚verloren‘. Man spricht in diesem Zusammenhang von Energieentwertung. Ließe sich Wärmeenergie ohne weiteres zurück in kinetische oder potentielle Energie umwandeln, könnte es passieren, dass der stehende Skater sich abkühlt und dadurch von alleine wieder beschleunigt wird. Solche Vorgänge beobachten wir in der Natur allerdings nicht.

 

Irreversible Vorgänge

Irreversible Vorgänge laufen nur in eine Richtung ab. Der Endzustand ist vom Startzustand verschieden.
Vorgänge mit Reibung sind irreversibel, da sie mit Energieentwertung verbunden sind.

Aufgaben

Energieentwertung durch Reibung

Übungsaufgaben