Umwandlung von Energie

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Erhaltung der Energie ✔ | Verlust von Energie ✔ | Verrichtete Arbeit und umgewandelte Energie ✔

Erhaltung der Energie

Um Arbeit zu verrichten, muss man Energie abgeben. Aber genau wie Geld verschwindet die Energie nicht einfach, wenn sie abgegeben wird. Die Energie geht woanders hin! Die Leute reden von "Energie verbrauchen", aber Energie wird nie verbraucht. Sie geht einfach in verschiedene Formen über, wie im folgenden Beispiel gezeigt wird.


Energie ist in den Muskeln gespeichert
Eine Billiard-Kugel wird in die Luft geworfen
chemische Energie
Die Kugel bewegt sich nach oben
Eine Billiard-Kugel wird in die Luft geworfen
kinetische Energie

Die Kugel am höchsten Punkt
Billiard-Kugel am höchsten Punkt
potenzielle Energie
Die Kugel fällt wieder zurück
Billiard-Kugel fällt
kinetische Energie
Die Kugel schlägt auf der Mauer auf
Billiard-Kugel schlägt auf
thermische Energie

Wenn Energie von einer Form in eine andere übergeht, sagen Wissenschaftler, dass Energie umgewandelt wird. Die obigen Bilder zeigen eine Abfolge von Energietransformationen. Das letzte Bild zeigt die Umwandlung von kinetischer Energie in thermische Energie (Wärme). Wenn die Kugel auf die Mauer aufschlägt, bewegen sich die Atome und Moleküle in der Kugel und in der Mauer schneller, so dass sich die Materialien etwas aufwärmen.

Bei jeder Transformation in der obigen Darstellung bleibt die gesamte Energiemenge gleich. Dies ist ein Beispiel für das Gesetz der Erhaltung der Energie:


Energie kann nicht hergestellt oder zerstört werden, sie kann nur in der einen oder anderen Form in Erscheinung treten.


Verlust von Energie

Die obigen Bilder zeigen die Energieumwandlungen als eine einfache Kette. In der Realität geht Energie in verschiedenen Phasen aus dem System verloren. Zum Beispiel wandeln Muskeln weniger als $\smash {\frac{1}{5}}$ der gespeicherten Energie in der Nahrung in kinetische Energie um. Der Rest wird als thermische Energie verschwendet - weshalb Bewegung dich zum Schwitzen bringt. Und wenn sich Objekte durch die Luft bewegen, wird ein Teil ihrer kinetischen Energie aufgrund von Reibung (Luftwiderstand) in thermische Energie umgewandelt. Selbst der Schall wird schließlich irgendwann "absorbiert", wodurch die absorbierenden Materialien etwas wärmer werden als zuvor.

Das Diagramm unten zeigt, wie die gesamte ursprüngliche Energie des Kugelwerfers als kleine thermische Energie endet. Trotz des scheinbaren Energieverlusts aus dem System gilt immer noch das Gesetz der Erhaltung der Energie. Die Gesamtmenge an Energie bleibt unverändert.


Energieverlust
Die Dicke der Pfeile repräsentiert die Menge der verlorenen Energie

Verrichtete Arbeit und umgewandelte Energie

Kugel wird fallengelassen
Energietransformation beim Fallenlassen einer Billiard-Kugel

Wann immer Arbeit verrichtet wird, wird Energie umgewandelt. In der Abbildung verliert beispielsweise eine fallende Kugel 20 J potentielle Energie. Unter der Annahme, dass kein Luftwiderstand vorhanden ist, wird diese Energie in 20 J kinetische Energie umgewandelt. So wird 20 J Arbeit verrichtet, um die Kugel zu beschleunigen. Wenn die Kugel den Boden berührt und zur Ruhe kommt, wird 20 J kinetische Energie in thermische Energie umgewandelt. Wieder werden 20 J Arbeit verrichtet, wenn die Kugel den Boden darunter eindrückt.

In allen Fällen gilt:

Arbeit verrichtet = Energie umgewandelt


20 J Energie in der einen Form 20 J verrichtete Arbeit 20 J Energie in der anderen Form

Fragen

1. Es müssen 50 J Arbeit verrichtet werden, um eine Blumenvase vom Boden auf ein Regal zu heben.

  1. Wie viel potentielle Energie hat die Vase, wenn sie im Regal steht?
  2. Wenn die Vase aus dem Regal fällt, wie viel kinetische Energie hat sie, bevor sie auf den Boden trifft? (Angenommen, der Luftwiderstand ist vernachlässigbar.)
  3. Was ist mit dieser Energie passiert, nachdem die Vase auf den Boden gefallen ist?

Richtig ist:

  1. 50 J
  2. 50 J
  3. Die kinetische Energie wurde in thermische Energie umgewandelt.

Richtig ist:
Energie kann nicht hergestellt oder zerstört werden, sie kann nur in der einen oder anderen Form in Erscheinung treten.

Richtig ist:
Im Motor des Ventilators wird die elektrische Energie des Generators nicht nur in kinetische Energie umgewandelt (Drehung des Propellers), sondern auch in andere Energieformen (z.B. Thermische Energie durch Reibung). Diese nicht nutzbaren Energieformen stehen dem Antrieb des Generators dann nicht mehr zur Verfügung und er hört nach kurzer Zeit auf, genügend elektrische Energie für den Motor bereitzustellen.


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