Erweiterung des Energieerhaltungssatzes

Das Fachgebiet Mechanik befasst sich mit der Bewegung von Körpern und der Einwirkung von Kräften und stellt z.B. durch die Newtonschen Gesetze den Zusammenhang zwischen Bewegungen einer Masse und den wirkenden Kräften her. Die Kräfte führen aber auch dazu, dass Arbeit geleistet wird, z.B. Beschleunigungsarbeit. Damit man diese “Zustände” beschreiben kann, sollte man erst einmal überlegen, welche Möglichkeiten der Energieform (im Fachgebiet Mechanik) es gibt und wie sie zusammenhängen.

Energieerhaltungssatz

In einem abgeschlossenen System, indem nur Kräfte aus dem Gebiet der Mechanik wirken, ist die Gesamtenergie konstant. Die Summe aus potentieller und kinetischer Energie ist in jedem Punkt konstant.

Formel: E_ges = E_kin + E_pot = konst.

Im vorherigen Kapitel ist der Energieerhaltungssatz erläutert worden, auch das darauf zu achten ist, dass der Energieerhaltungssatz nur für geschlossene Systeme gilt. Zudem muss für die Kräfte gelten, dass die Arbeit die diese Kräfte verrichten nur zu einer Umwandlung von kinetischer in potentielle Energie und umgekehrt führt.

Erweiterung des Energieerhaltungssatzes

• Im ersten Schritt sollte man erstmal betrachten, was passiert, wenn auf ein geschlossenes System eine Kraft von außen einwirkt (Dabei sollten weiterhin nicht konservative Kräfte wie z.B. Reibungskraft nicht berücksichtigt werden). Ein Beispiel: Ein geschlossenes System wird (mittels Hubarbeit) angehoben. Durch die Hubarbeit erhöht sich die potentielle Energie des Systems. Durch das Einwirken einer Kraft von außen ist das System nicht mehr abgeschlossen und die Gesamtenergie verändert sich. Dies kann man in folgender Formel zusammenfassen W_a = D E_ges   (in Worten: die Arbeit von äußeren Kräften verändert die mechanische Gesamtenergie des Systems).

• In einem zweiten Schritt kann man nun nicht konservative Kräfte, wie z.B. die Reibungskraft, die im Energieerhaltungssatz nicht berücksichtigt wurde, in einer Erweiterung des Energieerhaltungssatzes berücksichtigen. Berücksichtigt man diese Kräfte, lässt sich feststellen, dass die Reibungskraft eine Abnahme der mechanischen Gesamtnergie bewirkt (z.B. die Geschwindigkeit einer Kugel (und damit die kin. Energie) wird auf einer horizontalen Oberfläche durch die Reibungskraft kleiner).

Berücksichtigt man diese beiden Aspekte, so kann man den Energieerhaltungssatz folgendermaßen erweitern:

Die Summe aus der Arbeit W_a der äußeren Kräfte und der Arbeit W_i der nicht konservativen Kräfte (Reibungskraft) ist gleich der Änderung der mechanischen Energie eines Systems.

Erweiterung des Energieerhaltungssatzes – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist der Grundsatz des Energieerhaltungssatzes?

Der Grundsatz des Energieerhaltungssatzes besagt, dass die Gesamtmenge der Energie in einem abgeschlossenen System konstant bleibt und nicht geschaffen oder zerstört werden kann.

2. Wie wird der Energieerhaltungssatz erweitert?

Die Erweiterung des Energieerhaltungssatzes berücksichtigt, dass Energie zwischen verschiedenen Formen. wie potentielle Energie, kinetische Energie und thermische Energie, umgewandelt werden kann.

3. Was ist die Bedeutung der Erweiterung des Energieerhaltungssatzes?

Die Bedeutung der Erweiterung des Energieerhaltungssatzes liegt darin, dass sie das Verständnis der Funktionsweise von Energie in realen Systemen verbessert, indem sie die Transformation und Übertragung von Energie berücksichtigt.

4. Nennen Sie ein Beispiel für eine solche Energieumwandlung in einem realen System.

Ein Beispiel für eine Energieumwandlung in einem realen System könnte eine Feder sein, die Energie speichert, wenn sie zusammengedrückt wird, und diese Energie freisetzt, wenn sie losgelassen wird.

5. Warum ist der erweiterte Energieerhaltungssatz wichtig für wissenschaftliche und technische Anwendungen?

Der erweiterte Energieerhaltungssatz ist wichtig für wissenschaftliche und technische Anwendungen, da er ermöglicht, Veränderungen und Konversionen in der Energie in einem System zu berechnen und vorherzusagen.

6. Was passiert mit der Energie, wenn sie von einer Form in eine andere umgewandelt wird, nach der Erweiterung des Energieerhaltungssatzes?

Nach der Erweiterung des Energieerhaltungssatzes bleibt die Gesamtmenge der Energie während einer Umwandlung konstant, es ändert sich nur die Form der Energie.

7. Was bedeutet es, wenn ein System als “abgeschlossen” betrachtet wird?

Ein “abgeschlossenes” System ist ein Gedankenexperiment oder ein Modell, in dem keine Energie in das System hinein oder aus dem System heraus fließt.

8. Verletzt eine Maschine mit 100%iger Effizienz den erweiterten Energieerhaltungssatz?

Nein, eine Maschine mit 100%iger Effizienz verletzt nicht den erweiterten Energieerhaltungssatz. Sie wandelt einfach gesamte Energie von einer Form in eine andere um, ohne Verluste.

9. Was passiert in Systemen, in denen Energieverluste durch Reibung oder andere Nichtidealitäten auftreten?

In solchen Systemen wird ein Teil der Energie oft in eine nutzlose oder unerwünschte Form umgewandelt, wie zum Beispiel Wärme.

10. Warum ist es wichtig, Energieumwandlungen in realen Systemen zu verstehen?

Es ist wichtig, Energieumwandlungen in realen Systemen zu verstehen, da diese Informationen dazu beitragen können, die Effizienz von Maschinen und Prozessen zu verbessern.