Die Prozessgrößen: Wärme und Arbeit

Einem Stoff kann Energie in unterschiedlichen Formen zugeführt werden; zum Beispiel in Form von Wärmeenergie. Man stelle sich hierzu ein Gas vor, welches in einem Zylinder eingeschlossen ist und von außen durch eine Brennerflamme erwärmt wird. Dem Gas wird hierdurch Energie von Form von Wärme zugeführt [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung].

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Interaktive Animation: Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr eines Gases

Aber nicht nur auf einem solchen thermischem Wege sondern auch auf mechanischem Wege kann einem Stoff Energie zugeführt werden. Dies ist insbesondere bei kompressiblen Stoffen wie Gasen der Fall, wenn diese unter Kraft- und damit unter Arbeitsaufwand komprimiert werden. Man stelle sich hierzu den oberen gasgefüllten Zylinder vor, der nun mit einem beweglichen Kolben verschlossen wird. Durch Einschieben des Kolbens kann das Gas dann komprimiert werden. Die dabei verrichtete Arbeit wird letztlich ebenfalls dem Gas zugeführt [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung].

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Interaktive Animation: Kompression- und Expansionsvorgang eines Gases

Umgekehrt kann ein Stoff aber auch Energie in den unterschiedlichen Formen wieder abgeben. So wird das durch die Brennerflamme erwärmte Gas im oberen Beispiel auch wieder Wärmeenergie auf einen anderen Gegenstand übertragen können. Hierzu wird das Gas über die Zylinderwand in thermischen Kontakt mit einem Gegenstand gebracht. Auf diese Weise erwärmt das heiße Gas letztlich den Gegenstand gibt offensichtlich Energie in Form von Wärme ab [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung und entferne sie anschließend wieder].

Aber auch die Verrichtung von mechanischer Arbeit durch ein Stoff ist möglich. So steht das komprimierte Gas im oberen Beispiel durch den Verdichtungsvorgang unter relativ hohem Druck. Wird der Kolben in dieser Stellung losgelassen, so schiebt das Gas mit diesem Druck den Kolben wieder aus. Das Gas verrichtet auf diese Weise mechanische Arbeit [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung und entferne sie anschließend wieder]. 

Die zuvor zugeführte Energie in Form von (thermischer) Wärme oder (mechanischer) Arbeit kann ein Stoff also auch wieder abgeben. Dabei muss die zugeführte Energieform allerdings nicht notwendigerweise auch der abgeführten Energieform entsprechen wie dies in den oben aufgeführten Beispielen der Fall war.

So bedingt die mit einer Wärmezufuhr verbundene Temperaturerhöhung des im Zylinder eingeschlossenen Gases eine entsprechende Druckerhöhung. Das unter hohem Druck stehende Gas kann dann den beweglichen Kolben unter Verrichtung von Arbeit wieder ausfahren. Wärmeenergie wird sozusagen in mechanische Arbeit umgewandelt. Die nach einem solchen Prinzip arbeitenden "Maschinen", die Wärmeenergie (teilweise) in mechanische Energie umwandeln, werden dann auch Wärmekraftmaschinen genannt. Verbrennungsmotoren in Autos stellen typische Wärmekraftmaschinen dar.

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Animation: Prinzip einer Wärmekraftmaschine

Umgekehrt können Stoffe (insbesondere Gase) aber auch mechanische Arbeit wieder in Wärmeenergie umwandeln. Wird bspw. ein Gas komprimiert, so wird man durch die zugeführte Energie eine Zunahme der Bewegungsenergie der Teilchen und damit eine Temperaturerhöhung feststellen. Im Alltag zeigt sich dieses Phänomen bspw. beim Betätigen einer Luftpumpe. Die Luft und mit ihr die Luftpumpe selbst werden sich durch den permanenten Kompressionsvorgang sehr rasch erwärmen. Wird das erwärmte Gas dann in thermischen Kontakt mit einem kühleren Gegenstand gebracht, so wird letztlich Energie in Form von Wärme vom Gas auf den entsprechenden Gegenstand übertragen. Der Gegenstand erwärmt sich folglich. Nach diesem Prinzip arbeitende "Maschinen", die mechanische Arbeit in Wärmeenergie umwandeln, nennt man auch Wärmepumpen. Wärmepumpen finden sich bspw. in Heizungssystemen wieder, aber auch in Kühlschränken (dort werden sie dann allerdings als Kältemschinen bezeichnet).

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Animation: Prinzip einer Wärmepumpe

Die Größen Wärme und Arbeit beschreiben also immer einen Prozess der Energiezufuhr oder Energieabfuhr eines Stoffes und werden deshalb auch als Prozessgrößen bezeichnet. 

Anmerkung: Einem Stoff kann natürlich auch elektrische Energie zugeführt werden. Man denke bspw. an das Aufladen eines Akkus, wo die elektrische Energie chemische Prozesse in Gang setzt. Ein solcher elektrischer Energieumsatz wird in der Thermodynamik jedoch ebenfalls zur Arbeit gezählt.

Auf der einen Seite kann einem Stoff also Energie in verschiedenen Formen (Wärme und/oder Arbeit) zugeführt und auf der anderen Seite wieder Energie in den unterschiedlichen Formen entzogen werden. Die Frage drängt sich jedoch auf "wo" die zugeführte Energie zwischen diesen Ereignissen verbleibt? Wird bspw. Wärme einem Stoff zugeführt; auf welche Weise ist diese zugeführte Energie dann im Stoff enthalten, um sie zu einem späteren Zeitpunkt in Form von Arbeit wieder zu entnehmen? Auch nach dem Zuführen von mechanischer Arbeit durch einen Kompressionsvorgang stellt sich die Frage, wo diese Energiezufuhr anschließend im Stoff verbleibt? Aber auch beim Abgeben von mechanischer Arbeit, bspw. dann wenn ein Gas expandiert und einen Kolben unter Arbeitsaufwand ausschiebt, stellt sich die Frage woraus das Gas diesen Energieumsatz schöpft. Analoges gilt auch für die Wärmeenergie, die ein Stoff im Kontakt zu einem anderen Gegenstand auf diesen überträgt. Woraus bezieht das Gas diesen Energieumsatz?

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Abbildung: Wärme- und Arbeitsumsatz

Anworten auf diese Fragen werden im nächsten Abschnitt der inneren Energie gegeben.

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