Dissipationsarbeit II

Dissipationsenergien können nicht nur über die im vorherigen Abschnitt erläuterte Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand in ein thermodynamisches System gelangen. Dies zeigt sich, wenn ein von außen betriebener Ventilator im Zylinderinneren angebracht wird. Je nachdem wie viskos (d.h. wie "zähflüssig") sich das Gas verhält, wird das Drehen mit mehr oder weniger starkem Kraftaufwand vonstattengehen. Dies ist letztlich der Reibung zwischen Ventilator und Gas geschuldet. Über diesen Arbeitsaufwand, der für das Aufrechterhalten der Rotation erforderlich ist, gelangt ebenfalls Reibungsarbeit (Dissipationsarbeit \(W_{Diss}\)) in das System.

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Interaktive Abbildung: Dissipationsarbeit eines handbetriebenen Ventilators

Diese Reibungsarbeit wird wiederum vollständig in innere Energie dissipiert. Somit macht sich das Rühren unter Arbeitsaufwand letztlich in einer Temperaturerhöhung des Gases bemerkbar [fahre hierzu mit der Maus über die obere Abbildung].

Dieses Phänomen kennt man auch aus dem Alltag, wenn man bspw. mit einem Rührgerät Sahne aufschlägt. Die cremig geschlagene Sahne wird eine höhere Temperatur als die anfänglich flüssige Sahne aufweisen. Häufig hört man als Erklärung in diesem Zusammenhang auch den Satz: "Durch Reibung zwischen Rührgerät und Sahne entsteht Wärme". Dem thermodynamischen Verständnis des Wärmebegriffes nach, muss man an dieser Stelle allerdings etwas vorsichtig sein mit einer solchen Aussage. Denn eine Wärmezufuhr bedeutet in der Thermodynamik ein Energieübertrag als Folge einer Temperaturdifferenz. Die Ursache für den Energieübertrag ist im vorliegenden Fall allerdings keine Temperaturdifferenz sondern sie ist mechanischer Natur. Dieser Sachverhalt kann mit dem Teilchenmodell auch anschaulich nachvollzogen werden.

Die rotierenden Flügel des Ventilators prallen mit den im Zylinder befindlichen Gasteilchen zusammen. Hierdurch bekommen die Gasteilchen beim Aufprall einen zusätzlichen Impuls und Fliegen mit einer höheren Geschwindigkeit wieder davon. Es wird also (mechanische) Energie vom Ventilator auf die Gasteilchen übertragen. Die Situation kann mit einem Tennisspieler verglichen werden, der gerade mit seinem Schläger auf einen Tennisball drischt. Durch den mit hoher Geschwindigkeit bewegten Schläger wird der Tennisball entsprechend beschleunigt, so wie die Gasteilchen durch die Ventilatorflügel beim Aufprall beschleunigt werden.

Nicht nur mechanische Energie sondern auch elektrische Energie kann in innere Energie dissipiert werden. Dies wird dann der Fall sein, wenn der Ventilator nicht mehr von Hand sondern elektrisch betrieben wird. In diesem Fall gelangt elektrische Energie über die Systemgrenze, die durch den Ventilator in innere Energie dissipiert wird. Beachte, dass um beurteilen zu können welche Energieform dissipiert wird, einzig die über die Systemgrenze transportierte Energieform entscheidend ist.

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Interaktive Abbildung: Dissipationsarbeit eines elektrisch betriebenen Ventilators

Dies kann dazu führen, dass man auch bei einer Heizwendel von Dissipationsenergie spricht, sofern sich diese im Systeminneren befindet und von außen elektrisch betrieben wird. Obwohl die Heizwendel Wärme auf das Gas überträgt, handelt es sich bei diesem Vorgang nicht um einen Wärmeumsatz sondern um einen Arbeitsumsatz (Dissipationsarbeit). In diesem Fall gelangt nämlich elektrische Energie über die Systemgrenze. Ob mit dieser Energie nun eine Heizwendel oder ein Ventilator betrieben wird, spielt nachdem die Energie über die Systemgrenze geflossen ist keine Rolle mehr. Wäre die Heizwendeln hingegen außerhalb des Systems angebracht, dann würde man von Wärmeenergie reden, die dem System von außen zugeführt wird. In dem vorliegenden Fall wird die elektrische Energie erst im Systeminneren in Wärmeenergie umgewandelt und früher oder später ebenfalls in innere Energie dissipiert. Deshalb zählt dieser Dissipationsvorgang zu den Arbeitsformen (Dissipationsarbeit) und wird nicht als Wärmeumsatz bezeichnet.

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Interaktive Abbildung: Dissipationsarbeit einer elektrisch betriebenen Heizwendel

Beachte, dass es sich bei reibungsbehafteten Vorgängen zwar immer um Dissipationsprozesse handelt, jedoch muss umgekehrt ein Dissipieren von Energie nicht immer auf Reibung zurückzuführen sein. Dies zeigt gerade das Beispiel der elektrisch betriebenen Heizwendel, bei welchem Reibung keine Rolle spielt und trotzdem Energie dissipiert wird. im Abschnitt Entropie wird auf die Energiedissipation von verschiedenen Prozessen detaillierter eingegangen.

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