7. – 13. Schuljahr

Rita Wodzinski

Energieentwertung elementarisieren

Vier Wege zum Verständnis von Energieentwertung und Entropie

Duit [1] nennt die Energieentwertung als einen von vier zentralen Aspekten für das Verständnis der Energie. Um Energieentwertung zu beschreiben, gibt es im Wesentlichen vier verschiedene Ansatzpunkte.
1. Energieentwertung hat zu tun mit der eingeschränkten Umwandelbarkeit von Energieformen
„Es gibt sogenannte wertvolle und weniger wertvolle Energieformen. Zu den wertvollen zählen die kinetische Energie, die potentielle Energie oder die elektrische Energie. Sie alle lassen sich vollständig in alle anderen Energieformen umwandeln. Dies gilt nicht für die innere Energie, jedenfalls nicht für den Teil, welcher der thermischen Bewegung der kleinsten Teilchen zuzuordnen ist. Je höher die Temperatur ist, desto größer ist der Verwendungswert, d.h., desto größer ist der Anteil der inneren Energie, der vollständig in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Bei allen Prozessen, die in der Realität ablaufen, nimmt also der [] Gebrauchswert der Energie ab. ([1], S. 5)
Die Vereinfachung liegt bei diesem Ansatz darin, dass der unterschiedliche Gebrauchswert den Energieformen zugeordnet wird. Dabei wird vernachlässigt, dass thermische Energie durchaus (wenn auch nicht zu 100 %) in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Die Nutzbarkeit thermischer Energie hängt zudem nicht allein an der Energieform, sondern wird von den Temperaturverhältnissen bestimmt.
2. Energieentwertung hat zu tun mit der Irreversibilität von Prozessen
Ein anderer Ansatz (s. z.B. [2], S. 188) nutzt die Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen Prozessen.
Prozesse, die in der Realität nur in einer Richtung ablaufen, zeichnen sich dadurch aus, dass thermische Energie an die Umgebung abgegeben wird. Dies kann als ein Indiz dafür gewertet werden, dass die auftretende Umgebungswärme offenbar weniger gut umwandelbar ist. Neben der Abnahme nutzbarer Energie wird bei diesem Ansatz auch die Idee betont, dass durch Energieentwertung eine zeitliche Richtung von Prozessen vorgegeben ist.
3. Energieentwertung ist eine Folge der Zunahme der Entropie
Im Science Slam „Entropie Von Kühltürmen und der Unumkehrbarkeit der Dinge (https://www.youtube.com/watch?v=z64PJwXy--8) beschreibt Martin Buchholz Energieentwertung populärwissenschaftlich. Im Zentrum steht die Idee, dass man sich Entropie als etwas vorstellen kann, das im Prozess strömt und nie weniger, sondern nur gleich bleiben oder mehr werden kann (s.a. [3]).
Dass mit ähnlichen Bildern auch in der Mittelstufe gearbeitet werden kann, zeigt der Karlsruher Physikkurs [4]. Entropie wird hier als zentrale Größe der Wärmelehre betrachtet und an die Alltagsvorstellung von Wärme angeknüpft. Dies ist zulässig, weil thermische Energie und Entropie immer gleichzeitig fließen. Der Alltagsbegriff lässt sich deshalb an thermische Energie oder an Entropie ankoppeln.
Entropie wird hier jeweils als Energieträger für thermische Energie verstanden. Die Vorstellung ist analog zu Ladungen, die als Energieträger für elektrische Energie angesehen werden können. Wie viel Energie die Ladungen tragen, bestimmt die Spannung. Und wie viel Energie die Entropie transportiert, bestimmt die Temperatur.
Eine Zunahme von Entropie bedeutet, dass thermische Energie an die Umgebung abgeführt wird. Bei reversiblen Prozessen ist die Entropie unverändert. Hier wird keine thermische Energie abgeführt. Damit ist der Zusammenhang zu Entwertungsvorstellungen unter 2. hergestellt: „Reale Prozesse sind irreversibel. ist gleichbedeutend mit „Bei realen Prozessen nimmt die Entropie zu.
Mit der Entropie können Energieumwandlungen präziser beschrieben werden. Während die Energie nur die Buchhalterin im Geschehen ist, entscheidet die Entropie, in welche Richtung Prozesse ablaufen.
4. Energieentwertung bedeutet eine Abnahme der Exergie bzw. Zunahme der Anergie
In der Technik sind zusätzlich die...

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