Frage von clemi2000, 56

Wärmeenergie - eine Sackgasse?

Dieses Thema haben wir heute als Referatthema bekommen und können uns nichts darunter vorstellen! Wisst ihr darüber was?

Expertenantwort
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 24

Eines vornweg: Die Quelle aller meiner Aussagen ist das Buch von H. D. Baehr "Thermodynamik". Dies ist das verbindliche Standardwerk für die klassische Thermodynamik. Alle anderen Lehrbücher sind davon abgeleitet. Selbst Nobelpreisträger beziehen sich in ihren Arbeiten auf diese "Thermodynamikbibel".

Zum Begriff:
"Wärmeenergie" ist als Begriff schon mal eine Sackgasse.
Es gibt keine Wärmeenergie, es gibt nur Wärme und die ist definiert als:
"Wärme ist Energie, die von alleine aufgrund eines Temperaturunterschiedes die Systemgrenze überschreitet". 

Wärme ist daher eine Prozessgröße und keine Zustandsgröße.
Wird einem System Wärme zugeführt oder entzogen, steigt oder sinkt dessen Innere Energie U. Die Innere Energie ist die Summe aus thermischer Energie und potentieller Energie der Teile eines Systems. Eine Aufteilung in thermische und potentielle Energie ist aber mathematisch nicht möglich, weswegen ausschließlich die Verwendung von "Innerer Energie" sinnvoll ist. Im Gegensatz zur Wärme, die eine Prozessgröße ist, ist die Innere Energie eine Zustandsgröße.
Der mathematische Zusammenhang ist der:
Q = Delta U
Die zu- oder abgeführte Wärme Q ist gleich der Zu- oder Abnahme der inneren Energie.

Zur Geschichte:
Anfangs des 19. Jahrhunderst entdeckte der französiche Physiker Sadi Carnot, dass Innere Energie bzw. Wärme nicht beliebig in andere Energieformen umwandelbar ist. Wieviel von der Wärme  in andere Energieformen umwandelbar ist, hängt vom Temperaturunterschied zwischen System  und Umwelt ab. Je höher die Temperaturdifferenz, umso mehr der Inneren Energie/Wärme ist umwandelbar. In seiner Schrift "Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance" (Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten Maschinen), die 1824 veröffentlicht wurde, stellt er den Zusammenhang in Form des sogenannten Carnot-Wirkunsggrades dar:
eta C = 1 - (Tn / Th)
Tn: niedrigste Temperatur, meistens Umgebungstemperatur in Kelvin.
Th: höchste Temperatur in Kelvin

Von der Inneren Energie kann maximal etaC * U in andere Energien gewandelt werden.

Von H. D. Baehr wurden die Begriffe Exergie und Anergie in die Thermodynamik eingeführt (Baehr, H.D.: Definition und Berechnung von Exergie und Anergie, Brennstoff-Wärme-Kraft 17 (1965).
Def.: "Exergie ist Energie, die sich unter Mitwirkung einer vorgegebenen Umgebung in jede andere Energieform umwandeln lässt; Anergie ist Energie, die sich nicht in Exergie umwandeln lässt."
Exergie ist also wertvolle, nutzbare Energie, Anergie ist quasi "Energieabfall", mit dem sich nichts mehr anfangen lässt.

Lehrsatz: "Es gilt immer: Energie E= Exergie Ex+ Anergie B"
Lehrsatz: "Jede Energie besteht aus Exergie und Anergie, wobei einer der beiden Anteile auch Null sein kann."

Berechnung der Exergie:
Der nutzbare Anteil von Wärme berechnet sich zu:
EQ = (1 - Tu/T) * Q = etaC * Q

Zur Sackgasse:
Grundsätzlich kann immer nur Exergie in Anergie umgewandelt werden und nie umgekehrt. Das ganze Universum lebt davon, dass ständig Exergie zu Anergie gewandelt wird. Die Exergie wird entwertet (dissipiert). Die Disspation von Exergie zu Anergie ist die Grundlage dafür, dass Neues im Universum wie auch z.B. Leben entstehen kann (Theorie Disspativer Strukturen von Ilya Prigogine, Nobelpreis 1977). 

Bei allem, was also im Universum passiert, wird die Exergie kleiner und die Anergie größer. Irgendwann ist alle Exergie in Anergie umgewandelt und das bedeutet entsprechend des Carnot-Wirkungsgrades, alle Temperaturunterschiede im Universum haben sich ausgeglichen. Das ist der sogenannte Wärmetod des Universums, die Sackgasse, die in der Frage gemeint ist. Es ist dann zwar warm im Universum, aber wegen fehlender Temperaturunterschiede kann diese thermische Energie nicht mehr in eine andere Energieform umgewandelt werden. Dann kann es kein Leben und keine Vorgänge im Universum mehr geben.

Kommentar von Nomex64 ,

Man ich habe Technische Thermodymamik bei Günter Meyer in Markleeberg studiert http://www.amazon.de/Technische-Thermodynamik-G%C3%BCnter-Meyer/dp/352726034X aber du hast mir jetzt endlich beigebracht was Exergie wirklich ist. Respekt.

Kommentar von Hamburger02 ,

Hallo Kollege, ;-)

habe Thermodynamik im Hauptfach bei Baehr studiert.

Antwort
von Nomex64, 14

Also ich habe ja mal Wärmetechnik studiert. Nicht auf Technologie sondern auf Konstruktion. Ich versuche aber mal deine Frage zu beantworten.

Ich denke nicht das die Umwandlung von Energien in nutzbare Energien in der Zukunft ohne die Betrachtung der Wärmeenergie eine Zukunft hat. Die Betrachtung der Wärmeenergie wird immer eine Bedeutung haben.

Bei jeder Umwandlung von Energien wird die Wärmeenergie immer eine Rolle spielen. Das liegt einfach daran das eigentlich bei jeder Wandlung von Energien Wärme entsteht.

Die Beherrschung der Prozesse und vor allem die Nutzung der Prozesse wo Wärme entsteht wird auch in Zukunft eine der zu lösenden Fragen sein.

Wir haben heute Kraft-Wärme-Kopplung und wir werden auch in der Zukunft de Prozesse nutzen wo Wärme entsteht.

Ach ja auch Kälteanlagen sind Anlagen wo es um Wärme geht. Weil Kälte gibt es in der Physik eigentlich nicht.

Antwort
von Katharsis036, 36

Es geht darum ob die Wärmeenergie überhaupt nutzbar (physikalisch, wirtschaftlich, vielleicht sogar ethisch) ist für die Menschheit. Nun müsst ihr anhand verschiedener Beispiele dafür oder dagegen sprechen und argumentieren.

Antwort
von jonathan132002, 29

Wärmeenergie ist zum Beispiel die Sonne sie gibt uns Wärme.

Expertenantwort
von PWolff, Community-Experte für Physik, 21

Energie jeder beliebigen Form lässt sich vollständig in Wärmeenergie umwandeln, aber Wärmeenergie nicht vollständig in andere Energie anderer Formen.

Antwort
von dompfeifer, 16

Wer immer die rhetorische Frage so gestellt hat, die ergibt keinen rechten Sinn:

Alle irdische Energie (ausgenommen Gezeitenenergie) in Natur und Technik hat ihren Ursprung in der Wärme, von der Sonne oder von der Erde. Ohne Wärme gäbe es praktisch keine Energie. Was soll da eine "Sackgasse" sein?

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