Arbeit: Energie überschreitet Systemgrenzen

Arbeit: Energie überschreitet Systemgrenzen
Physik Oberstufe

Wir haben bereits gesehen, dass Energie in einem abgeschlossenen System erhalten bleibt. In diesem Beitrag beschäftige ich mich damit, was mit Energie geschieht, wenn sie Systemgrenzen überschreitet: Man kann Energie einem System zuführen oder Bewegungsenergie erhöhen. Reibungskräfte vermindern einerseits mechanische Energie. Energie geht allerdings nie verloren. Die Reibung wandelt die mechanische Energie in innere Energie um. Mit anderen Worten reden wir von der Energieerhaltung durch Zunahme der inneren Energie. Was im Alltag fälschlich als Energieverlust oder Energieverbrauch bezeichnet wird, nennen Physiker Energieentwertung. Dies zeige ich anhand eines Versuchs mit einem Pingpongball. Die dabei Kraft übertragene Energie heißt Arbeit. Diese können wir graphisch darstellen.

Energie einem System zuführen

Rechenbeispiel:

Ein Arbeiter zieht einen Sack der Masse m = 75 kg mit einem Seil 4 m hoch.
Welche Energie wird dem Sack dadurch zugeführt und woher kommt sie? 

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Beispiel:

Der Arbeiter zieht eine Kiste mit einer konstanten Kraft 20 m über den Boden.
Die dabei aufgewendete Kraft beträgt F = 200 N.
Welche Energie wird der Kiste zugeführt?
Wo bleibt sie, wenn die Kiste mit konstanter Geschwindigkeit gezogen wird?

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Die Bewegungsenergie erhöhen Formeln

Ein Autofahrer schleppt mit einem Seil ab ein Auto ab.
Das System Auto ist nicht abgeschlossen, da über das Seil eine Kraft F ausgeübt wird.
Sie ist konstant, wenn das Auto mit a = F/m beschleunigt und Reibungskräfte unberücksichtigt bleiben.

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Die mit Kraft übertragene Energie heißt Arbeit

Wird Energie mittels Kraft übertragen, so spricht man von Arbeit.

Arbeit ist mithilfe einer Kraft von einem System auf ein anderes übertragene Energiemenge W.
Ist die in Richtung des Verschiebungswegs s wirkende Kraft F konstant, so ist die Arbeit das Produkt aus F und s

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Graphische Darstellung der Arbeit

Ist die an einem System angreifende Kraft F konstant, so erhält man eine Parallele zur s – Achse.
Die Fläche darunter stellt die Arbeit dar.

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Folgt die Kraft F dem hookeschen Gesetz, so erhält man im s-F-Diagramm eine Ursprungsgerade.

Dir Fläche unter der Geraden stellt dabei die Arbeit dar.

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Reibungskräfte vermindern mechanische Energie

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Es stellt sich nun die Frage: Wo ist die Energie geblieben?


Energieerhaltung durch Zunahme der inneren Energie

In der Physik setzt man auf den Satz von der Erhaltung der Energie.
Wo also ist die mechanische Energie beim Bremsvorgang geblieben?
Genauere Beobachtungen liefern einen Hinweis:
Dort wo Reifen und Straße oder Bremsbacke und Bremsscheibe sich gerieben haben, ist die Temperatur der Materialien gestiegen.
Temperaturzunahme wird auch als Zunahme der inneren Energie bezeichnet.

Reibung wandelt mechanische Energie in innere Energie um

Reibung mit der konstanten Kraft FR entzieht dem System längs des Reibungsweges s die mechanische Energie W = FR . s und wandelt diese in innere Energie des Systems um.
Bezieht man das Konto der inneren Energie mit ein, bleibt die Energiesumme auch bei Vorgängen mit Reibung konstant.


Energieentwertung

Die vom bremsenden Auto abgezweigte Energie (Wärme = innere Energie) hat für das Auto keinen Wert mehr.
Man spricht deshalb von Energieentwertung.
Sie tritt bei allen Energieumsetzungen auf.
Die ursprüngliche Energie geht dabei in weniger nutzbare Formen über.
Obwohl der entwertete Teil nicht verloren ist, spricht man im Alltag oft unkorrekt von Energieverlust oder Energieverbrauch.

Versuch Pingponball

Wir lassen einen Pingpongball auf harten Boden fallen.
Er springt einige Zeit. Dabei verliert er immer mehr an Höhe und kommt schließlich zum Stillstand.
Wo ist die Energie geblieben?

Die Energie wurde durch Luftreibung und Verformung in Wärme umgewandelt.
Sie ist nicht verloren gegangen, sie wurde umgewandelt in innere Energie.


Hier finden Sie eine Übersicht über weitere Beiträge aus der Oberstufenphysik.


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