5. – 13. Schuljahr

Susanne Weßnigk

Energieerhaltung und -entwertung

Ein wichtiges, aber schwieriges Thema in Naturwissenschaft und Gesellschaft

Die naturwissenschaftliche Größe Energie erfüllt universelle Gesetze und begründet damit eines der bedeutendsten Erklärungsmodelle für naturwissenschaftliche Phänomene und den Ablauf naturwissenschaftlicher Prozesse. Wissen über Energie ist für die Lösung vieler gesellschaftlicher Probleme notwendig. Schon allein das Nachvollziehen einiger, auf naturwissenschaftlichen Erkenntnissen basierenden Entscheidungen wie etwa der zur sog. Energiewende erfordert eine gewisse Kenntnis des naturwissenschaftlichen Energiekonzepts. Aufgrund der exponierten Stellung des Energiethemas in den Naturwissenschaften wurde Energie als Basiskonzept in den Bildungsstandards für den Mittleren Schulabschluss in den naturwissenschaftlichen Fächern ausgewiesen.
In der Fachdidaktik besteht Einigkeit darüber, dass eine umfassende Auseinandersetzung mit dem Thema Energie eine Betrachtung der Aspekte
  • Energieformen,
  • Energieumwandlung und -transfer,
  • Energieentwertung und Energieerhaltung
erfordert ([1], [2]). Während die Entwicklung eines Verständnisses von Energieformen und -umwandlungen Lernenden nicht besonders schwerfällt [3], erweist sich die Entwicklung eines Verständnisses von Energieentwertung und -erhaltung als schwieriger ([3]; s.a. Kasten 1).
Der Dreiklang Energieerhaltung Energieentwertung Entropie
Der Dreiklang Energieerhaltung Energieentwertung Entropie
Energieerhaltung
Das wichtigste Charakteristikum von Energie ist, dass sie weder vernichtet noch produziert werden kann Energie bleibt erhalten, ist also eine Erhaltungsgröße [13]. Die Gesamtenergie ändert sich in einem abgeschlossenen System nicht, auch wenn innerhalb des Systems Umwandlungsprozesse stattfinden und Energie transferiert wird. Die Größe ändert sich nur, wenn Energie aus dem System abgeführt oder dem System zugeführt wird.
Während Energie als mathematisches Prinzip eine gewisse Abstraktheit besitzt, erscheint der Energieerhaltungssatz einfach und schnell rezitierbar. Hierbei ist jedoch Vorsicht geboten: Ein differenziertes Verständnis des Energiekonzepts wird nicht dadurch erreicht, dass scheinbar einfache Rechnungen mithilfe der Energie als Bilanzierungsgröße durchgeführt werden wie etwa die Berechnung der Geschwindigkeit der Kugel eines Fadenpendels im Nulldurchgang durch die gegebene Ausgangshöhe. In den naturwissenschaftlichen Unterricht gehören zusätzliche Argumente, um die Behandlung des Energiekonzepts plausibel zu machen und um den Umgang mit Energie als Bilanzierungsgröße sorgfältig einzuführen.
Energieentwertung
Am Beispiel des Fadenpendels können sowohl Energieumwandlungsprozesse thematisiert werden, als auch die Energieentwertung über das intuitive Verständnis, dass die Bewegung des Pendels irgendwann aufhört. Damit bietet sich die Möglichkeit, die Irreversibilität des Prozesses anzusprechen. Sogar eine Vernetzung dieser Gedanken mit der Thermodynamik ist möglich: Die in der Natur ablaufenden Prozesse werden in den Hauptsätzen der Thermodynamik erfasst. Das Prinzip der Energieerhaltung entspricht dem ersten Hauptsatz.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik macht eine Aussage über die Richtung der Energieübertragung: Wärme geht niemals von selbst von einem Körper niedrigerer Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur über. Die Irreversibilität jedes realen Prozesses bzw. die damit verbundene Vergrößerung der Entropie findet sich im zweiten Hauptsatz wieder.
Entropie
Das Konzept der Entropie wurde bei der phänomenologischen Betrachtung von Schmelzvorgängen von Clausius eingeführt. Er legte fest, dass bei der Übertragung von Wärme auch noch eine andere mengenartige Größe übertragen wird die Entropie. Dabei ist die Entropieänderung eines Systems abhängig von der zugeführten Wärmemenge bei einer bestimmten Temperatur.
Einige Jahre später kam mit Boltzmann die statistische Definition...

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