Die Begriffe Energie und Arbeit stehen in einem engen Zusammenhang. Im Alltag verbinden wir mit dem Ausdruck „Arbeit“ geistige oder körperliche Betätigung, die uns ermüdet – also unsere „Energie“ verändert. Was versteht man in der Physik unter Arbeit? Stelle dir eine Fahrradtour auf einen Berg vor. Du weißt, dass du bergauf umso fester in die Pedale treten und mehr Kraft aufwenden musst, je steiler die Straße wird – auch wenn du mit gleichbleibender Geschwindigkeit fährst. Warum? Beim Bergauffahren spielen Luftwiderstand und Rollreibung keine nennenswerte Rolle, du musst jedoch verhindern, dass das Fahrrad zurückrollt. Dazu musst du in Wegrichtung eine Kraft F aufwenden. Du wirst deine Arbeit umso höher einschätzen, je mehr Kraft F du einsetzen musst und je länger der Weg s ist. Entsprechend wird in der Physik mechanische Arbeit W (engl. work) definiert als W = F·s bzw. in Vektorschreibweise W = → F · → s Für die Arbeit W wird eine eigene Einheit Joule (J) eingeführt. Aus der Definition „Arbeit = Kraft mal Weg“ folgt: 1 J = 1 N·1 m = 1 N·m = 1 kg·m __ s2 ·m = 1 kg·m2·s–2 Mechanische Arbeit W = in Richtung des Weges aufgewendete Kraft FA mal zurückgelegter Weg s. W = FA·s = → F · → s Einheit: Joule (J), 1 J = 1 N·m Am Beispiel der Fahrradtour erkennen wir noch eine wichtige Eigenschaft der mechanischen Arbeit: Aus 74.1 kannst du die Stärke der Kraft FP ablesen, die dich und das Fahrrad talwärts zieht. Du musst sie mit einer entgegengesetzen Kraft FA kompensieren. Das graue und das grüne Dreieck sind ähnlich, daher gilt für die Kraftbeträge die Proportion: FP _ FG = h _ s , daher F P = FG· h _s = F A. FP ist proportional zur Gewichtskraft FG = m·g und zum Quotienten h/s, wobei h die Höhe ist, die du auf der Wegstrecke s gewinnst. Bei gleicher Höhe h werden FP und FA umso kleiner, je größer der Weg s ist, je geringer also die Steigung ist. Eine Umformung führt auf die Beziehung W = FA·s = FG·h = m·g·h Speichersee im Sellraintal (Tirol) Wozu werden Staumauern errichtet? Wie wird der See gefü llt, und warum betreibt man diesen Aufwand? FA -FN FP FG FN h α α s -F = P 74.1 Kräftezerlegung für einen reibungsfreien Wagen auf der schiefen Ebene (siehe S. 41). Die Gewichtskraft FG wird in zwei Komponenten zerlegt. FN steht normal zur Fahrbahn, mit ihr drückt der Wagen auf die Fahrbahn. Diese verformt sich elastisch, bis mit einer gleich großen entgegengesetzten Kraft −FN das Kräftegleichgewicht hergestellt ist. FP wirkt hangabwärts. Um den Körper (Masse m) mit konstanter Geschwindigkeit hinaufzuziehen, braucht man eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft FA. Beim Hochziehen wird die Arbeit FA·s = m·g·h verrichtet. Du hast heute wieder viel gearbeitet? Du kannst genau beschreiben, was du gemacht hast, aber ist das auch messbar? Und würde das, was du heute gemacht hast, auch eine andere Person als Arbeit ansehen? Der Vorteil des physikalischen Begriffs Arbeit ist die Messbarkeit. Wenn du richtig misst und rechnest, wird das Ergebnis immer dasselbe sein und man kann die Ergebnisse miteinander vergleichen. Um Arbeit zu verrichten, benötigt man Energie. 74 Thermodynamik 1 Mechanische Arbeit und Energie In diesem Kapitel erfährst du, – was man in der Physik unter Arbeit und Energie versteht, – warum man auf steileren Wegen mehr Kraft braucht als auf flacheren und trotzdem dieselbe Arbeit verrichtet, – was Energie bewirken kann und wie man sie speichern kann, – dass Energieformen ineinander umgewandelt werden können, – dass Energie weder vernichtet noch erzeugt werden kann (Energieerhaltung). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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