Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Energieerhaltung bei Reibung? Im Alltag tritt bei mechanischen Vorgängen stets Reibung auf und „kostet“ Ener- gie. Was bedeutet dies für den Erhaltungssatz der Gesamtenergie? Dazu ein Beispiel: Bremst du dein Fahrrad in der Ebene, wird zwar die kinetische Energie kleiner, die potenzielle Energie bleibt aber gleich. Wohin verschwindet die Energie? Aus der Erfahrung weißt du, dass beim Abbremsen die Bremsen und auch die Bremsspur am Boden heiß werden ( 67.2 ). Gemäß dem Teilchenmodell der Mate- rie bedeutet dies, dass die Teilchen, aus denen die Bremse besteht, sich heftiger bewegen (siehe Physik 5). Die einzelnen Teilchen erhalten zusätzliche Energie, Es wird also die Bewegungsenergie des Fahrrads auf die Teilchen der Bremse über- tragen. Diese Energieform nennt man Wärmeenergie (thermische Energie), sie ist Teil der inneren Energie U der beteiligten Körper. Damit lautet der Energiesatz: Energieerhaltung im abgeschlossenen System mit Reibung E ges = E k + E p + U = konstant Die Summe aller Energieformen ist in einem abgeschlossenen System konstant. Es kann weder neue Energie geschaffen, noch vorhandene verloren gehen. Die innere Energie U wird uns in der Wärmelehre wieder begegnen. Oft müssen noch weitere Energieformen wie z. B. chemische Energie berücksichtigt werden. Für mechanische Systeme ohne Reibung kann der Erhaltungssatz der Gesamtener- gie aus den Newton’schen Gesetzen mathematisch abgeleitet werden. In seiner all- gemeinen Form ist der Energiesatz ein Erfahrungssatz und hat sich bewährt. Es wurde noch nie ein Vorgang beobachtet, der ihm widerspricht. Energie aus dem Nichts – Gibt es ein Perpetuum mobile? Der Energiesatz ist sozusagen der Buchhalter bei physikalischen Vorgängen: Mit seiner Hilfe kann man prüfen, ob ein Vorgang überhaupt möglich ist. Immer wieder glauben „Erfinder“, Maschinen bauen zu können, die ohne äußere Energiequelle Arbeit verrichten. Ein Gerät dieser Art nennt man „Perpetuum mobi- le“ (latein. „ewig beweglich“ ). Es müsste Energie aus dem Nichts erzeugen. Bisher gelang dies nicht. Wegen des Energiesatzes wird es auch in Zukunft nicht möglich sein. Untersuche, überlege, forsche: Das Perpetuum mobile 67.1 67.3 zeigt den Entwurf einer unmöglichen Maschine aus dem 18. Jahrhundert. W 1 a) Erkläre, wie sich der Zeichner die Funktionsweise vorstellte. Welche Ener- gieformen kannst du feststellen? S 2 b) Begründe: Warum könnte die Maschine nicht zum Schleifen dienen, selbst wenn es gelänge, die Achsen reibungsfrei zu machen? S 2 c) Diskutiere: Ist die Anlage ein offenes oder ein abgeschlossenes System? 67.2 S 2 Kinetische und potentielle Energie sind dir nun vertraut. Die innere Energie U wurde soeben als Energieform der Bewegung der Atome und Moleküle in einem Körper eingeführt. Suche nach weiteren Energieformen und überlege, wie sie zum Gesetz der Erhaltung der Energie passen. 67.1 Das Verschieben eines schweren Schranks erfordert Arbeit gegen die Reibung. Diese Ar- beit wird als innere Energie im System Schrank-Fußboden gespeichert und zeigt sich als Erwärmung der an einander reibenden Flä- chen. 67.2 Die heiße Bremsspur des Fahrrads am Boden wird mit der Wärmebildkamera sicht- bar. 67.3 Das Perpetuum mobile – oft versucht, doch nie gelungen. Nicht nur wegen der gro- ßen Reibung konnten solche Maschinen nie funktionieren. Der Energiesatz verbietet es. 67 | ENERGIE/THERMODYNAMIK Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv