Das erste Gesetz der Thermodynamik besagt:
"Die Gesamtenergie eines isolierten Systems wird weder erzeugt noch zerstört; sie verwandelt sich nur von einer Form in eine andere."
Obwohl diese Definition abstrakt oder technisch erscheinen mag, spiegelt sie sich ständig in alltäglichen Phänomenen und in verschiedenen technologischen Anwendungen wider. Um es besser zu verstehen, werden wir einige praktische Beispiele analysieren.
In all diesen Fällen sollten wir bedenken, dass Wärme, Energie und Arbeit in Joule (J) gemäß dem Internationalen Einheitensystem gemessen werden.
1. Energie in einem in die Luft geworfenen Ball zu sparen
Wenn ein Kind einen Ball in die Luft wirft, sind zwei Haupttypen von Energie beteiligt: kinetisches und Gravitationspotenzial.
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Wenn er die Hände des Kindes verlässt, hat der Ball aufgrund seiner Geschwindigkeit kinetische Energie. In diesem Moment ist seine potenzielle Energie minimal, da sie noch nicht die Höhe erreicht hat.
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Mit steigendem Anstieg nimmt die Geschwindigkeit ab und gewinnt an Höhe: kinetische Energie wird in potenzielle Energie umgewandelt.
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Am höchsten Punkt hat die Kugel nur potenzielle Energie.
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Beim Abstieg wird die potenzielle Energie wieder in kinetische Energie umgewandelt, die zum Boden beschleunigt.
In diesem Prozess bleibt die Gesamtenergie des Systems (Ballon + Erde) konstant, solange wir Verluste durch Reibung mit der Luft ignorieren.
2. Dampfmaschinen
Betrachten wir eine Dampflokomotive:
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Die Anfangsenergie stammt vom Brennstoff (Kohle), der chemische Energie speichert.
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Wenn die Kohle verbrannt wird, wird diese chemische Energie in thermische Energie umgewandelt, wodurch das Wasser im Kessel erhitzt wird.
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Der erzeugte Dampf treibt die Kolben an und wandelt die thermische Energie in mechanische Energie um.
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Die Lokomotive erhält beim Fahren kinetische Energie.
Das System ist jedoch nicht vollständig isoliert; Es gibt Verluste:
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Rauch und Dampf entweichen in die Umgebung.
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Reibung zwischen Kolben und Rädern sowie mit der Kette.
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Wärmeverlust an die umgebende Luft.
Dieses Beispiel zeigt, dass Energie nicht verschwindet, sondern dissipiert oder in weniger nützliche Formen umgewandelt wird, wodurch das erste Gesetz erfüllt wird.
3. Solarenergie: Photovoltaik und thermisch
Die Sonne ist eine konstante Energiequelle. Seine Atome enthalten innere Energie, die durch Kernfusionsreaktionen freigesetzt wird und Sonnenstrahlung erzeugt.
Wenn diese Strahlung die Erde erreicht:
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Photovoltaik-Solarpanels wandeln einen Teil dieser Energie in Strom um.
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Solarthermische Paneele wandeln Energie in Wärme für Wasser oder Heizung um.
Die Rendite beträgt jedoch nie 100 %:
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Ein Teil der Energie geht in Form von Abwärme verloren.
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Ein anderer Teil wird in der Atmosphäre reflektiert oder verteilt.
Dennoch bleibt die Gesamtenergie erhalten und entspricht dem ersten Gesetz.
4. Ein Kühlschrank
Ein Kühlschrank erzeugt keine Kälte, sondern transportiert Wärme von innen nach draußen mittels eines thermodynamischen Kreislaufs:
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Das Kältemittel nimmt Wärme aus dem Gefrierfach auf und senkt so die Innentemperatur (die übertragene thermische Energie).
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Der Kompressor verrichtet mechanische Arbeiten am Kältemittel, wodurch Wärme in die Außenumgebung abgegeben werden kann.
Die verbrauchte elektrische Energie wird in mechanische Arbeit und Wärme umgewandelt.
Keine Energie verschwindet; sie wird nur umverteilt und entspricht dem ersten Gesetz.
5. Ein fahrendes Auto
In einem fahrenden Auto wird die Energie kontinuierlich umgewandelt:
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Die chemische Energie im Brennstoff wird beim Verbrennen im Motor in Wärmeenergie umgewandelt.
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Diese thermische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt, die die Räder bewegt.
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Reibung und Reibung wandeln einen Teil dieser Energie in Wärme um, die dann in die Umwelt abgegeben wird.
Auch hier bleibt die Gesamtenergie erhalten, auch wenn sie unterschiedlich verteilt ist.