Änderung der inneren Energie


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Innere Energie

Jeder Stoff besitzt eine innere Energie U dabei spielt es keine Rolle ob sich der Stoff in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand befindet. Die innere Energie ist die Summe aus den folgenden drei Energiearten:

  • Thermische Energie: \(E_{therm}\)

  • Bindungsenergie: \(E_{bin}\)

  • Kernenergie: \(E_{Kern}\)

Die thermische Energie wurde bereits ausführlich hier behandelt. Bei der Bindungsenergie handelt es sich um die Energieform welche zu abstoßenden oder anzieheneden Wechselwirkungen zwischen den Teilchen des Stoffes führt. Die Bindungsenergie zwischen den einzelnen Teilchen des Stoffen ist von dem Abstand der Teilchen zu einander abhängig. Je näher sich die Teilchen sind, desto stärker ist die Bindungskraft. In festen Stoffen sind sich die Teilchen am nächsten, in Flüssigkeiten sind sich die Teilchen weniger nahe und bei Gasen können sie sich fast frei bewegen. Die Bindungsenergie in daher bei Festkörpern am höchsten und bei Gasen am niedrigsten.

die Kernenergie ist in den Atomkernen gespeichert. Diese Energie wird erst frei, wenn das Atom gespalten wird (Atomkraft) oder duch radioaktivität.

Entprechend dem Teilchenmodell ist die innere Energie zusammengesetzt aus der Summe von kinetischer und potentieller Energie. Die kinetische Energie liefert den Beitrag zur thermischen Energie und die Bindungsenergien und Kernenergien werden zur potentieller Energie gezählt.
Wie groß die innere Energie exakt ist spielt in der Wärmelehre keine Rollen, man interessiert sich ehr für die Änderung der inneren Energie \(\Delta U\).

Änderung der innere Energie

Die innere Energie eines Stoffes kann durch verschiedene Prozesse verändert werden. In der Wärmelehre behandelt man oft die änderung der inneren Energie durch die Verrichtung von Arbeit. Aus der Mechanik kennt man folgende äquivalente Aussagen:

  • Energie ist gespeicherte Arbeit.

  • Energie beschriebt das Arbeitsvermögen.

  • Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.

Diese Aussagen verdeutlichen den Zusammenhang zwischen Arbeit und Energie, verrichtet man an einem System oder einem Körper Arbeit, so ändert sich dessen innere Energie. Umgekehrt kann man auch die innere Energie eines Systems verwenden um Arbeit zu verrichten. Arbeit und Energie haben die gleiche Einheit (Joule).

Verrichtet man an einem System Arbeit, so kann man dessen innere Energie erhöhen, dies hat unter anderem auch zur Folge, dass sich die Temperatur des Systems erhöht. Beispielsweise kann man mittels Reibarbeit die Temperatur eines Körpers erhöhen, reibt man beide Hände an einander, so Spürt man die Temperatur erhöhung. Verrichtet man an einem Körper Reibarbeit, so erhöht man dessen innere Energie.

  • Ist die Masse eines Körpers konstant, so führt eine Verdopplung der an ihm verrichteten Arbeit zu einer Verdopplung der Änderung der inneren Energie \(\Delta U\) und zu einer Verdopplung der Temperaturerhohung \(\Delta T\). Es gilt:

  • \(\Delta U\propto \Delta T\)

  • Bei zwei Körpern aus dem gleichen Material, muss an dem Körper der Masser \(2m\) die doppelte Arbeit wie an dem Körper der Masse \(m\) verrichtet werden, um die gleiche Temperaturerhöhung zu erzielen. Es gilt:

  • \(\Delta U\propto m\)