4.3. Energie

Energie ist ein sehr grundlegender Begriff, und das ist es, was Schwierigkeiten macht, ihn zu definieren. Man kann ihn nicht definieren, indem man ihn auf allgemeinere Begriffe zurückführt.

Seilbahn

Bild 1 : Elektrische Energie wird in potentielle, kinetische und Wärmeenergie umgewandelt.

Deshalb hilft man sich oft, indem man verschiedene Arten oder Formen von Energie aufzählt. Potentielle und kinetische Energie sind meist die ersten, die man in der Schule kennenlernt. Später kommen elektrische Energie und Kernenergie dazu, vielleicht auch chemische Energie. Aber diese Zusammenstellung erscheint willkürlich, und sicher ist sie nicht vollständig. Man kann auf diese Weise nicht sagen, was Energie eigentlich ist.

Die 2 folgenden Regeln sind Daumenregeln. Ganz sicher definieren sie nicht den Begriff der Energie, schon gar nicht exakt. Manche werden den Kopf schütteln und sagen, so ein Unsinn. Aber sie fördern das Verständnis.

4.3.1. Äußere und innere Energie

In diesem und einer Reihe der folgenden Abschnitte geht es um die Energie, die ein geschlossenes System besitzt. Der Grund ist, dass solche Systeme am häufigsten untersucht wurden und bei der Beschreibung vieler, besonders dynamischer, Vorgänge eine bedeutende Rolle spielen.

Es hat sich als sinnvoll herausgestellt, diese Energie in 2 Kategorien zu unterteilen, die äußere Energie und die innere Energie.

4.3.2. Die äußere Energie

Jedes System steht in einer Beziehung zu seiner Umgebung. Zum Beispiel befindet es sich an einem bestimmten Ort. Führt man dem System potentielle Energie zu, ändert es seinen Ort. Im Schwerefeld der Erde nimmt es einen neuen, höher gelegenen Ort an. Außerdem hat es, relativ zu seiner Umgebung, eine bestimmte Geschwindigkeit (die auch Null sein kann, dann ist das System in Ruhe). Um diese Geschwindigkeit zu vergrößern oder zu verringern, muss man dem System kinetische Energie zuführen, oder es gibt kinetische Energie ab.

Diese beiden Energieformen ändern die Beziehung des Systems zu seiner Umgebung. Das System selbst ändern sie nicht, jedenfalls nicht direkt. (Wenn Sie eine Porzellanvase herunterfallen lassen, ist die Zerstörung eine Folge der Umwandlung von kinetischer Energie in andere Energieformen.) Potentielle und kinetische Energie ändern also nur die Beziehung des Systems zu seiner „Außenwelt” (der Umgebung).

Man nennt die beiden daher die äußere Energie des Systems.

In einem geschlossenen System gilt :
xxxxxx äußere Energie : potentielle und kinetische Energie
xxxxxx innere Energie : alles andere

4.3.3. Die innere Energie

Die Definition der inneren Energie eines geschlossenen Systems ist nun einfach. Die Energie, die das System besitzt und die nicht äußere Energie ist, gehört zur inneren Energie.

Hat ein System mehr oder weniger innere Energie als ein anderes, so sind die inneren Zustände der beiden Systeme unterschiedlich. Führt man einem System innere Energie zu oder gibt es sie ab, so ändert sich sein innerer Zustand.

In der Physik spielt die innere Energie eine wichtige Rolle. Daher bekommt sie ein eigenes Formelzeichen. Es heißt U.

Das bisher Gesagte hört sich vage und allgemein an, und es stellt sich die Frage, was denn hinter dieser inneren Energie wohl steckt. Was versteht man eigentlich unter dem inneren Zustand eines Systems ? Und wie ändert er sich, wenn man Energie zuführt ? Was für Vorgänge laufen im Innern des Systems ab, wenn sich seine innere Energie ändert ? Ist es Materie (Teilchen), an der sich etwas ändert, oder ist es etwas anderes ?

Anders als in der Anfangszeit der Thermodynamik kann man diese Fragen heute beantworten, und die Antworten sind einfach zu verstehen. Jedoch liegen sie jenseits des Gebiets der Thermodynamik.

Beiträge zur inneren Energie

Es gibt viele Energieformen, die einen Beitrag zur inneren Energie eines Systems leisten. Im folgenden zähle ich einige auf. Je nachdem, unter welchem Aspekt man ein System betrachtet, erkennt man verschiedene Erscheinungen, die einen Beitrag zur Energie leisten, und gibt ihnen verschiedene Bezeichnungen. Daher sind Überschneidungen nicht nur möglich, sondern wahrscheinlich.

Wassermolekül führt Translation aus.

Bild 2 : Ein Wassermolekül bewegt sich als Ganzes. Es führt eine Translation aus.

 

Wassermolekül rotiert.

Bild 3 : Ein Wassermolekül dreht sich wie ein Kreisel.

 

Schwingungen im Wassermolekül

Bild 4 : Streckschwingungen (oben) und Biegeschwingungen (unten) an einem Wassermolekül.

Translation – Ein wichtiger Beitrag kommt von der kinetischen Energie der kleinsten Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle). Die kleinsten Teilchen können sich auf unterschiedliche Weise bewegen. Eine Möglichkeit ist, dass sie sich (geradlinig in eine bestimmte Richtung oder auch ständig in andere Richtungen wechselnd) von einem Ort zu einem anderen bewegen, etwa so wie sich ein Auto normalerweise bewegt, oder wie sich ein fallendes Blatt bewegt. Diese Bewegungen heißen Translationen, und die kinetische Energie, die ein Gegenstand bei einer Translation besitzt, heißt Translationsenergie. Bild 2 zeigt ein Wassermolekül, das sich als Ganzes nach rechts oben bewegt.

Rotation – Die kleinsten Teilchen können nicht nur Translationen ausführen, sie können auch rotieren. Denken Sie an einen rollenden Fußball, eine Billardkugel, die man mit Effet (Drall) spielt oder einen Kinderkreisel. Die (kinetische) Energie, die die kleinsten Teilchen bei der Rotation (zusätzlich zur Translationsenergie) besitzen, heißt Rotationsenergie. Bild 3 zeigt dasselbe Molekül wie in Bild 2 . Nun jedoch rotiert es.

Schwingungen – Moleküle können nicht nur Translationen und Rotationen, sondern auch Schwingungen ausführen. Sie sollten dabei weniger an das Hin–und–Her–Schwingen des gesamten Moleküls (vergleichbar dem Schwingen des Pendels einer altertümlichen Uhr) denken. Vielmehr ändern die einzelnen Atome eines Moleküls ihre gegenseitige Lage in periodisch wiederkehrender Art. Man kann es mit den Bewegungen des menschlichen Herzens beim Pumpen vergleichen. Die (kinetische) Energie, die die Moleküle bei Schwingungen (zusätzlich zur Translations– und Rotationsenergie) besitzen, heißt Schwingungsenergie.

Schwingungen treten in vielen Formen auf.

Eine der einfachsten sind Streckschwingungen. Dabei wird eine Bindung periodisch länger und wieder kürzer, etwa so wie das Seil eines Bungee–Jumpers länger und kürzer wird. Bild 4 (oben) zeigt am Beispiel eines Wassermoleküls, wie sich die beiden Wasserstoffatome bei einer solchen Streckschwingung bewegen.

 

 

Bald geht es hier weiter.

 

 

 

 

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