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Transkript Energie und Arbeit – Vergleich

Hallo und herzlich willkommen, zu einem Video über den Unterschied zwischen Energie und Arbeit. Wiederholen wir kurz eines der wichtigsten Gesetze der Wissenschaft, den Energieerhaltungssatz in Worten: Die Gesamtenergie des Universums ist konstant. Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt und von einem Ort an einen anderen übertragen, jedoch nie erzeugt oder vernichtet werden. Diese Energie des Universums setzt sich zusammen aus verschiedene Arten von Energien, wie mechanische Energie, das wäre zum Beispiel kinetische Energie oder potenzielle Energie, werden Wärme, chemische Energie, elektrische Energie und noch andere Energiearten, wie zum Beispiel die Kernenergie. Wenn wir uns jedoch ein beliebiges System anschauen, muss dessen Energie nicht konstant bleiben. Die Energieerhaltung sagt aber, die Energie, die vom System aufgenommen wird-die Energie, die vom System abgegeben wird=die Änderung der Energie des Systems. Wie aber kann ein System Energie abgeben oder aufnehmen? Hier kommt die Arbeit ins Spiel. Das Verrichten von Arbeit ist eine Möglichkeit, einem System Energie zuzuführen oder zu entziehen. Wir ignorieren im Folgenden die Tatsache, dass es auch andere Möglichkeiten gibt, die Energie eines Systems zu ändern, wie zum Beispiel Strahlung oder Wärmeaustausch. Wir nehmen jetzt einfach mal an, dass die Arbeit die einzige Möglichkeit ist, mit der Energie übertragen werden kann. Dann sagt der Energieerhaltungssatz: Wext=DeltaE. Dabei ist Wext die Arbeit, die äußere Kräfte an dem System verrichten und Delta E ist die Änderung der Gesamtenergie des Systems. Und Delta E setzt sich wie E zusammen aus der Änderung der mechanischen Energie, der Wärmeenergie, der chemischen Energie, der elektrischen Energie und anderen Energiearten. Das sieht jetzt einfach aus, aber dieser Zusammenhang zwischen Arbeit und Energie ist sehr wichtig, um eine große Anzahl von Systemen untersuchen zu können. Wichtig ist außerdem folgende Erkenntnis: Was nun in die Kategorie externe Arbeit fällt und was eine bestimmte Energiesorte ist, hängt davon ab, wie wir unser System definieren. Schauen wir uns dazu ein einfaches Beispiel an. Eine Knetmassekugel der Masse m wird aus einer Höhe h fallen gelassen und trifft auf einen ideal starren Boden. Unser System soll zunächst nur aus der Knetmassekugel bestehen. Wenn wir nur die Kugel als System betrachten, ist die Gewichtskraft eine externe Kraft, die am System Arbeit verrichtet. Wir wissen also, dass Wext=m×g×h ist. Gleichzeitig wissen wir, dass eine Änderung der Energie des Systems Delta E=Wext ist. Und diese sich wiederum aus einer Menge von Einzelenergien zusammensetzt. In Frage kommt hier nur die Wärme, da alle anderen  Energien in unserem Zusammenhang keinen Sinn machen. Auch die EMech, also die kinetische Energie, ist vor dem Fall 0 und auch nach dem Fall 0. Wir landen also bei der Gleichung Wext=DeltaEWärme. Also ist DeltaEWärme=m×g×h. Zur Erinnerung: Hier haben wir nur die Kugel als unser System definiert, was die Gravitation zu einer externen Arbeit gemacht hat. Jetzt schauen wir uns mal an, was passiert, wenn wir unser System anders wählen. Wir nehmen in unser System jetzt außer die Knetmassekugel noch den Boden und die Erde mit hinein. Auf dieses System wirken keine für unser Problem relevanten äußere Kräfte. Wir haben also keine Arbeit. Wext=0. Die Schwerkraft ist nun eine innere Kraft des Systems. Wir haben also den Zusammenhang 0=DeltaEMech+DeltaEWärme, weil die ganzen anderen Energien wieder keinen Sinn machen. Anders als vorhin haben wir jetzt aber eine mechanische Energie, weil die Gravitation jetzt zum System gehört. Und dadurch ist die Änderung der potenziellen Energie=-m×g×h. Das Minus, weil sie eben vorher m×g×h war und nachher 0. Damit können wir in unsere Formel bei DeltaEWärme gehen und erhalten 0=-m×g×h+DeltaEWärme. Daraus folgt, dass DeltaEWärme=m×g×h ist. Wir erhalten also, egal wie wir unser System wählen, immer das gleiche Ergebnis. Aber was passiert hier? Im System Knetmassekugel wird der Kugel durch externe Gravitationsarbeit Energie zugeführt. Diese Energie erscheint in Form kinetischer Energie, bevor diese auf den Boden auftrifft. Danach wird sie in Wärmeenergie umgewandelt. Im System Knetmassekugel, Boden+Erde, wird dem System von außen keine Energie zugeführt. Die ursprüngliche potenzielle Energie des Systems wird in kinetische Energie umgewandelt, die die Kugel unmittelbar vor dem Auftreffen besitzt und geht direkt im Anschluss in Wärmeenergie über. Was Arbeit ist und was Energie ist, hängt also davon ab, ob die Energie von außerhalb in das System gelangt und wie viel sich bereits innerhalb befindet. Und das hängt natürlich wiederum davon ab, wie wir das System wählen. Das ist also der Unterschied zwischen Energie und Arbeit; ob sie von außen kommt oder schon innen drin ist. Damit bedanke ich mich und bis zum nächsten Mal.

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1 Kommentar
  1. Img 20141213 185508

    geiler Pinguin;)) und dazu noch hammer Video!!

    Von Paul T., vor mehr als 4 Jahren