Energieumwandlung, Arbeit und Leistung im Prozess

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Energie – Umwandlung, Erhaltung und Entwertung
• Zustandsgröße Energie und Prozessgrößen Arbeit
• Leistung

Energie – Umwandlung, Erhaltung und Entwertung

Das Wort Energie begegnet dir von allen physikalischen Begriffen im Alltag am häufigsten. Es wird so häufig verwendet, da sich mit dieser Größe sehr gut vergleichen und bewerten lässt. Du weißt bereits, dass sich die Energie für alle Bereiche der Physik bestimmen lässt und für alle diese Bereiche besitzt die Energie dieselbe Einheit: das Joule, häufig auch als Kilojoule angegeben.

$[E]= 1kJ = 1000 J$

Für ein reibungsfreies, mechanisches System ist die Gesamtenergie zu jeder Zeit gleich, wenn es von außen nicht beeinflusst wird. Es gilt die Energieerhaltung. Dies bedeutet, dass Energie nicht erzeugt oder vernichtet werden kann. Die Energie wird immer nur umgewandelt. So wird beim Bremsen eines Fahrzeuges dessen kinetische Energie drastisch reduziert und die Bremsbeläge werden dabei sehr stark erwärmt. Hier wird die kinetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Auch wenn man einen Toaster betreibt, wird Energie umgewandelt: elektrische in Wärmeenergie. Da die Wärmeenergie für uns weniger nutzbar und damit auch weniger wertvoll erscheint, spricht man hier von Energieentwertung. Der alltägliche Gedanke, dass Energie verbraucht wird, ist damit physikalisch eindeutig falsch. Physikalisch gesehen zahlt man bei der Stromrechnung nicht den Stromverbrauch, sondern die Energieentwertung des elektrischen Stroms.

Zustandsgröße Energie und Prozessgrößen Arbeit

In der Physik werden immer statische, also unveränderliche, Systeme und dynamische, also veränderliche, Systeme unterschieden. Auf dieselbe Weise lassen sich auch physikalische Größen in statische Zustandsgrößen und dynamische Prozessgrößen unterteilen. Die Energie ist eine Zustandsgröße. Ein Klavier, das an einem Kran hängt, befindet sich in einem statischen Zustand und lässt sich durch eine potentielle Energie beschreiben. Reißt nun das Seil, verändert sich auch das System: Es ist nun dynamisch. Nun kann es nicht mehr durch die potentielle Energie beschrieben werden. Erst wenn das Klavier am Erdboden wieder zur Ruhe kommt, kann wieder ein potentieller Energiewert zugeordnet werden. Das Klavier bzw. dessen Überreste bilden wieder ein statisches System. Um zu bestimmen, wie sich die Energie vom Startzustand zum Endzustand verändert, kann man die Differenz bilden. Man schreibt hier $\Delta E$.

$\Delta E=E_{End} - E_{Start}$

Dieses $\Delta E$ ist die Arbeit $W$. Damit ist die Arbeit W eine Prozessgröße. Die Arbeit W besitzt dabei dieselbe Einheit wie die Energie $E$. Daher kommt es hier auch häufig zu Verwechslungen.

$[W]\equiv\Delta E$

$[W]=1 kJ = 1000 J$

Betrachten wir das obige Beispiel erneut, so wird im hängenden Zustand am Klavier keine Arbeit verrichtet. Doch sobald das Seil reißt, wird das Klavier mit der Beschleunigungsarbeit $W_a$ beschleunigt. Seine kinetische Energie $E_{kin}$ steigt dabei kontinuierlich an. Schlägt das Klavier auf dem Boden auf, wird es mit der Verformungsarbeit $W_V$ zu seinen Überresten verformt. An den Überresten am Boden wird im Anschluss keine weitere Arbeit geleistet.

Da die geleistete Arbeit damit der gesamten Energieumwandlung entspricht, stellt sie auch den Absolutwert der Energieentwertung oder -aufwertung dar.

In der Chemie gibt es eine zusätzliche Größe, die die Energieveränderung pro eingesetzter Stoffmenge in Mol beschreibt: die Enthalpie.

Leistung

Eine weitere Prozessgröße ist die Leistung $P$. Diese beschreibt die in einen Zeitraum geleistete Arbeit und damit die bewirkte Energieveränderung in diesem Zeitraum. Die Einheit der Leistung ist das Watt. Die geleistete Leistung stellt die Rate der Energieumwandlung oder der verrichteten Arbeit dar. Sie ist ein Maß für die Geschwindigkeit einer Energieumwandlung. Bei einer hohen Leistung wird die Energie also schneller umgewandelt und mehr Arbeit pro Zeit verrichtet.

$P=\frac{W}{t}=\frac{\Delta E}{t}$

$[P]=W$

Auch diese Größe ist wie die Energie eher eine vergleichende Größe. Mit ihr kann die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Geräte verglichen werden. So besitzt ein leistungsstarkes Kernkraftwerk eine Leistung von 1,5 GW also 1.500.000.000 Watt. Eine Glühlampe dagegen nur bis zu 100 Watt.