Wieso kann man Wärme nicht vollständig in Arbeit umwandeln?
Die Frage steht da. Ich würde es gerne qualitativ verstehen, also auch gerne ohne Formeln.
6 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“!.
Letztlich muss man sich dann darauf beschränken, gewisse Auswirkungen dieser Begriffe zu betrachten. Aber eine allumfassende Defintion oder gar eine vollständige Erklärung, was der eigentliche Kern und die Ursache dieser Begriffe ist, kann nicht gelingen.
In der klassischen Physik hört man häufig die Definition "Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten". Aber auch das ist nur ein Teilaspekt, der nur auf einige Energieformen zutrifft. Die Umgebungswärme ist auch Energie, diese kann aber keinerlei Arbeit leisten.
Diese Definition ist in der modernen nichtlinearen 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.“
Energie kann nicht nur nach Menge (Energieerhaltungssatz) betrachtet werden. Energie besitzt auch eine Qualität. Die Qualität wird dadurch bestimmt, wie vollständig und wie leicht sich die vorliegende Energie in eine andere Energieform umwandeln lässt.
Hochwertige Energie heißt Exergie und lässt sich zu 100% in jede andere Energieform umwandeln. Beispiele: elektrische Energie, potentielle Energie, kinetische Energie. Gravitationsenergie ist die "wertvollste" Form von Energie. Einen Körper, der Lageenergie besitzt, muss man einfach nur loslassen und schon wird die potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt.
Wertlose Energie heißt Anergie und lässt sich in gar nichts mehr umwandeln. Damit lässt sich absolut nichts mehr anfangen. Die wertloseste Energie ist Wärme bei Umgebungstemperatur. Mit der kann man mit noch so viel Aufwand gar nichts mehr machen. Daher wird Wärme auch gerne einmal als der "Abfallhaufen der Energie" bezeichnet.
Wenn man nun Wärme bei einer bestimmten Temperatur hat, besteht die immer aus einem Teil Exergie, also wertvoller Energie und aus einem Teil Anergie, also wertlosen Energieabfall. Dieser Energieabfall ist es, der die Umwandelbarkeit von Wärme stark einschränkt.
Das kannst du dir am besten als unbrauchbaren Energiemüll vorstellen.
Guck dir mal diesen Science-slam an:
https://www.youtube.com/watch?v=tNpEqmcC6dg
Das Video war gut, aber was hat die Nutzbarmachung von Energie mit der stofflichen Konzentration zu tun? (Richtung Ende)
Und wie hilft dieses Video für mein Problem?
Und wie hilft dieses Video für mein Problem?
Es erklärt, warum man Wärme niemals vollständig in Arbeit umwandeln kann.
als Bild für Kinder: bei Wärme bewegen sich alle Teilchen in alle Richtungen durcheinander, bei Arbeit alle in die selbe Richtung, das ist also ein statistisches Problem. Wenn ich zwei Räume habe, einen warmen und einen kalten, dann können Arbeit nur die Teilchen verrichten, die vom warmen in den kalten fliegen, und das sind um so mehr, je verschiedener die Temperaturen sind.
die von der warmen Seite sind schneller als umgekehrt. Die bei 0 K bewegen sich gar nicht.
Ja, aber wieso sind es umso mehr, je verschiedener die Temperaturen sind?
letzter Versuch: wenn ich zwei Räume habe, einen voller lebender Ameisen und einen voller toter Ameisen und die Tür dazwischen öffne, in welche Richtung werden dann mehr Ameisen laufen? Wenn hingegen alle Ameisen gleich lebendig sind, laufen gleich viele in beide Richtungen und der Strom hebt sich auf. Wenn das nicht klar ist, gebe ich auf.
Kannst du vielleicht auch erklären, was das mit Entropie zutun hat?
das ist ohne Mathematik jetzt wirklich nicht mehr zu machen..
Okay, dann probiers doch mal, immerhin bin ich ganz gut in Mathematik
Wenn ich jetzt aber sage, dass ein paar kleine Ameisen sich noch bewegen und in den anderen Raum kriechen, dann folgt daraus, dass die deutlich weniger Energie übertragen wird? Also in dem Sinne, dass wir dann eine Gegenkraft auf den Körper haben? Und dadurch die Arbeit vermindert wird?
Wärme kann nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden, weil die Entropie eines geschlossenen Systems nicht verringert werden kann. Bei der Umwandlung von Wärmeenergie in Arbeit wird ein Teil der Wärme als Abwärme freigesetzt, die nicht in Arbeit umgewandelt werden kann und die Entropie des Systems erhöht. Je höher die Temperaturdifferenz ist, desto höher ist die Menge an Abwärme, die freigesetzt wird. Daher ist es in der Praxis nicht möglich, Wärmeenergie vollständig in Arbeit umzuwandeln.
Wärmeenergie kann nur in Arbeit umgesetzt werden, wenn eine Temperaturdifferenz besteht (z.B. Verbrennungstemperatur gegenüber Umgebungstemperatur). Gleichmäßig verteilte Wärme (Entropie) kann nicht weiter genutzt werden bzw. nicht mehr in andere Energieformen (wie mechanische Arbeit) umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad ergibt sich aus der nutzbaren Temperaturdifferenz im Vergleich zur Differenz bis zum absoluten Nullpunkt.
Weil es immer ein Verlust der Wärme gibt, z.B. durch Schall (Luftbewegung), Reibung und daher Abnutzung von übermittelden Teilen.
Infrarote Strahlung der "Wärme", die sich Kugelförmig ausbreitet und das zur "Arbeit" umsetzenden Aggregard nicht völlständig erreicht.
Wie kann ich mir Anergie vorstellen?