Was sind hochwertige und minderwertige Energie?
(Physik)
3 Antworten
„Energie“ ist ein Begriff aus einer Kategorie, die alle eine gemeinsame merkwürdige Eigenschaft haben. Das sind Begriffe, die solange allen Beteiligten klar ist, solange man nichts erklärt oder definiert. Versucht man den Begriff näher zu erfassen, wird es immer verschwommener und irgendwann entgleitet er einem völlig. Das was man weiß, wird immer kleiner und das, was man nicht weiß, wird immer größer. Andere Begriffe aus dieser Kategorie wären z.B. Zeit, Masse, Gravitation, Quanten, Liebe, Gott, Seele oder Schicksal. Fragt man einen Laien „Was ist das?“, erhält man eine Antwort „Das ist das und das“. Fragt man dagegen einen Fachmann, der sich schon intensiv damit beschäftigt hat, erhält man häufig die Antwort „Ich weiß es nicht“!
In der klassisch-modernen Physik gilt die Definition "Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten".
Diese Definition ist in der modernen Physik, die mit der Theorie Dissipativer Strukturen begründet wurde und für die Ilya Prigogine 1977 den Nobelpreis erhielt, so nicht mehr gültig. Demnach ist Energie die "Substanz", der wir die Existenz des Universums verdanken sowie die Tatsache, dass sich das Universum ständig verändert und nicht in einem Zustand verharrt. Um Harald Lesch zu zitieren: „Alles wird von Energiepotenzialen angetrieben. Ohne Energiepotenziale gibt es keine Physik, da einfach nichts mehr passiert.“
Man sagt ja immer Energie könne nie verloren gehen.
Das ist so und das sagt der Energieerhaltungssatz aus. Der Energieerhaltungssatz ist der 1. Hauptsatz der Thermodynamik (1. HS), also der „Lehre von der Energie“. Dementsprechend kann Energie auch nicht erzeugt oder vernichtet werden. In einem geschlossenen Raum, oder besser gesagt, in einem geschlossenen System bleibt der Energiegehalt immer gleich. Sofern man das Universum als abgeschlossenes System betrachtet, bleibt auch die Gesamtenergie des Universums immer gleich.
Wenn neue Energie erzeugt wird, kommt da dann nicht immer mehr neue Energie dazu?
Der 1.HS sagt aber nur etwas über die Menge von Energie aus. Aus dem Alltag kennen wir, dass Energie nach Menge beurteilt wird. Wir kaufen z.B. 1 kWh Strom oder 1 l Benzin. Sobald man sich mit Energie näher beschäftigt, stellt man aber fest, dass nicht nur die Menge zählt, sondern dass Energie auch eine Qualität hat. Die Qualität misst sich im Prinzip daran, wie leicht bzw. vollständig eine vorhandene Energie in eine andere Energieform umgewandelt werden kann.
Wertvolle Energie heißt Exergie. Exergie kann beliebig in jede andere Energieform umgewandelt werden. Energien mit 100% Exergieanteil sind grundsätzlich alle mechanischen Energien sowie elektrische Energie. Um die potentielle Energie (eine der mechanischen Energien) eines Gegenstandes z.B. vollständig in kinetische Energie umzuwandeln, muss man ihn einfach nur fallen lassen.
Wertlose Energie heißt Anergie. Mit Anergie kann man nichts anfangen, die lässt sich in keine andere Energieform mehr umwandeln.
Energie mit 100% Anergieanteil ist Wärme bei Umgebungstemperatur. Wärme ist sozusagen der Abfallhaufen der Energie. Wenn man nun sagt, man erzeugt Energie, ist damit fachlich korrekt nur gemeint, man erzeugt Exergie, stellt also beliebig umwandelbare Energie zur Verfügung. Wenn man sagt, man verbraucht Energie, ist damit fachlich korrekt gemeint, man wandelt wertvolle Energie (Exergie) in wertlose Energie (Abwärme) um. Der Fachbegriff für diese Entwertung von Energie ist Dissipation. Exergie kann zu 100% dissipiert werden, Anergie kann nicht weiter dissipiert werden.
Bei dieser Entwertung von Energie bleibt ihre Menge aber konstant, sie verliert lediglich Qualität.
Was ist Entropie?
Nun braucht man ein Maß, um festzustellen, wie weit eine vorhandene Energie denn schon entwertet wurde bzw. welcher Anteil der Energie aus Exergie besteht und noch weiter genutzt werden kann. Die Beurteilung der Qualität einer vorhandenen Energie geschieht mit dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Die geringste Qualität hat Wärmeenergie bei Umgebungstemperatur. So besitzt die Luft der Atmosphäre durch ihre Temperatur jede Menge innere Energie, aber mit dieser Energie z.B. eine Maschine zu betreiben oder einen Körper zu beschleunigen, ist praktisch unmöglich. Um die Qualität der Energie zu beschreiben, wurde der Begriff der Entropie eingeführt.
Jetzt kommt noch eine Schwierigkeit beim Verständnis dazu, weil man sozusagen falschrum denken muss. Umso höher die Entropie, umso höher ist nicht die Qualität der Energie, sondern es ist genau umgekehrt. Je mieser die Qualität, umso höher ist die Entropie. Insofern kann man sich Entropie eher als ein Maß für „Energieabfall“ vorstellen, weil man mit Abfall nichts mehr anfangen kann.
Will das mal an einem Beispiel verdeutlichen. Wenn du irgendwo ein Kilo Äpfel kaufst, reicht nicht nur die Kenntnis der Menge, also 1 kg, denn du musst entsprechend der Qualität dieser Äpfel unterschiedliche Preise bezahlen.
Die teuersten Äpfel haben Handelsklasse A. Sie besitzen noch keine Entropie. Die sind makellos und die kann man unbeschränkt in andere Apfelprodukte umwandeln, sei es ein Apfel zum essen, in Apfelkuchen, Apfelsaft oder was immer du willst.
Äpfel der Handelsklasse B haben schon kleine Qualitätsmängel. Die bietet man nicht mehr unbedingt auf einer Obstschale zum Essen an, aber Apfelkuchen oder Apfelsaft kann man noch gut daraus machen.
Billig sind sogenannte Saftäpfel. Die kommen gar nicht mehr in den Handel, sondern werden nur noch zu Apfelsaft gemacht.
Die schlechteste Qualität haben völlig verfaulte Äpfel, denn aus denen kann man gar nichts mehr machen. Diese verfaulten Äpfel haben damit die maximale Entropie, sie bestehen nur noch aus Abfall. Der Abfall,also die verfgaultern Äpfel, mit denen man nichts mehr anfangen kann, sind sozusagen die Anergie und der Rest, der noch gut ist und denman in ein anderes Produkt umwandeln kann, ist die Exergie.
Nun sagt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik aus, dass in einem geschlossenen System die Entropie immer nur zunehmen, aber niemals abnehmen kann. Dieser Grundsatz gilt im gesamten Universum sowohl für die Energie als auch für die Äpfel.
Wenn du eine Kiste mit Äpfeln der Handelsklasse A hast, musst du nichts tun, damit die Entropie zunimmt. Die Äpfel faulen im Laufe der Zeit ganz von alleine. Es ist aber noch niemals beobachtet worden, dass aus einer Kiste mit fauligen Äpfeln im Laufe der Zeit von alleine Äpfel der Handelsklasse A wurden.
Energie verfault nicht, da spricht man von Entwertung oder Dissipation. Dissipation bedeutet, es wird Exergie in Anergie umgewandelt. Alle Energie strebt danach, entwertet zu werten und das geht auch von alleine. Alle Energie strebt dazu, sich letztlich in Wärme umzuwandeln. Bei allen praktischen Prozessen, bei denen Energie umgewandelt wird, entsteht meistens durch Reibung auch Abwärme, mit der man nichts mehr anfangen kann. In dieser Abwärme steckt die entstandenen Entropie. Diese Abwärme verringert immer auch den Anteil der Energie, der umwandelbar bzw. arbeitsfähig bleibt. Die Exergie nimmt ab und die Anergie nimmt zu, aber gem. 1. HS bleibt deren Summe immer gleich.
Um die Entropie in einem geschlossenen System zu verringern, also die Qualität anzuheben, muss immer Energie zugeführt werden, von alleine passiert das niemals. Hättest du also eine Kiste mit Äpfeln der mittleren Entropie, sprich die sind nur halbe verfault, könntest du Energie aufwenden, indem du überall das faulige wegschneidest und wegwirfst und aus dem Rest könntest du immerhin noch Saft machen. Genauso wäre das auch mit Energie. Um die Entropie in einem geschlossenen System zu verringern, musst du von außen hochwertige Energie zuführen. Der Energieabfall, also die Entropie, würde dann in der Umwelt landen und deren Entropie entsprechend erhöhen.
Häufig wird Entropie zu Beginn des Unterrichtes auch als ein Maß für die Unordnung bezeichnet. Bei geschlossenen Systemen ist das auch noch in Ordnung, bei komplexen Systemen führt diese Vorstellung aber in die irre. Hohe Ordnung bedeutet dabei hohe Qualität, also niedrige Entropie, während eine maximale Unordnung eine niedrige Qualität also maximale Entropie bedeutet.
Meist wird als Vergleich ein Zimmer angeführt. Ein frisch renoviertes, neu eingerichtetes, sauberes und aufgeräumtes Zimmer hat die höchste Wohnqualität, also die minimale Entropie. Wohnt man darin und macht ansonsten nichts, nimmt die Unordnung, die Verschmutzung, die Vermüllung konstant zu. Die Wohnqualität wird immer geringer, die Entropie nimmt ständig und ganz von alleine zu. Nur wenn man Energie aufwendet, kann man die Entropie wieder verringern. Dazu muss man putzen und aufräumen und den Schmutz und Abfalls aus dem Zimmer hinausbefördern.
So könnte z.B. deine Mutter sagen: "Jetzt räume endlich mal dein Zimmer auf", während dein Vater, wenn er Physiker ist, zu dir sagen könnte: "Du solltest mal wieder die Entropie deines Zimmers verringern."
Zusammenfassung:
Entropie ist ein Maß für die Qualität von Energie. Je höher die Entropie, umso mehr wurde die Energie bereits Richtung Abwärme entwertet und umso geringer ist ihre Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Je höher die Entropie, umso höher ist der Anteil der Anergie an der Gesamtenergie.
hochwertig: mechanische Arbeit oder zu 100% in mechanische Arbeit umsetzbare Energie (zB Strom)
minderwertig: Niedertemperaturwärme
Der Grund für diese Aufteilung ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik: Mechanische Arbeit lässt sich vollständig in Wärme verwandeln, aber Wärme nicht vollständig in mechanische Arbeit.
hochwertige energie ist enerige, deren gewinnung einen großen aufwand erfordert.
und JA mir ist der der energieerhaltungssatz geläufig, in dem es heißt, dass energie nicht hergestellt oder vernichtet werden kann.
allerdings kann man energie wandeln. von minderwertigen formen in hochwertige und auch umgekehrt. wobei die wandlung von hochwertiger zu minderwertiger energie spichwörtlich von alleine geht.
hochwertige energie sind z.B. elektrische energie, licht, röntgenstrahlung oder potenzielle energie.
eher minderwertig sind kinetische energie und wärme.
lg, anna