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Grundwissen

Energieentwertung

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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
Unmöglichkeit der Erwärmung eines heißeren durch ein kälteres Energiereservoir

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.