Berechnung der inneren Energie

Wandel der Energieformen

Wie du in der Grafik sehen kannst, durchläuft der Feuerwehrmann im Einsatz verschiedene Zustände, die mit den unterschiedlichen Energieformen verdeutlicht werden können. Zu Beginn steht er oberhalb der Stange, mittels welcher er zu seinem Einsatzfahrzeug rutschen möchte. Der Feuerwehrmann ist in diesem Beispiel also das System, das eine gewisses Energiepotenzial hat. An dieser Stelle hat der Feuerwehrmann eine hohe potenzielle Energie ($E_{pot}$). Nun geht er dazu über, an der Stange in Richtung Einsatzhalle zu rutschen. Das heißt, das System verrichtet Arbeit und dabei wird die potenzielle Energie in eine andere Form umgewandelt. Bedingt durch die Gravitation geht der Feuerwehrmann in einen Bewegungszustand über. Aus der potenziellen Energie wird kinetische Energie ($E_{kin}$). Während des Rutschens nimmt die potenzielle Energie ab (da die Höhe, in der sich das System befindet, abnimmt) und die kinetische Energie nimmt zu (durch die Zunahme der Fallgeschwindigkeit). Am Boden angekommen, hat die potenzielle Energie den Wert null, da auch die Höhe den Wert $h= 0$ hat. Da der Feuerwehrmann den Prozess des Rutschens nun auch abgeschlossen hat, ist die kinetische Energie ebenfalls bei dem Wert null. Das ursprüngliche Energiepotenzial der potenziellen Energie scheint also verschwunden zu sein. Wie du jedoch oben bereits erfahren hast, kann Energie nicht verschwinden. Demnach muss diese in eine andere Form übergegangen sein.

Innere Energie

Wenn wir uns den Vorgang des Rutschens unseres Feuerwehrmannes detaillierter ansehen, können wir feststellen, dass noch ein weiterer Vorgang abläuft. Um die Geschwindigkeit seines Falls zu regulieren, bremst der Feuerwehrmann mit seinen Händen an der Stange den Fall ab. Dabei werden seine Hände erwärmt. An dieser Stelle passiert etwas mit der vorhandenen Energie. Das Potenzial, das sich aus der potenziellen Energie ergibt, wird nicht nur in kinetische Energie umgewandelt, sondern auch in die sogenannte innere Energie. Dies wird in unserem Beispiel durch die Erwärmung des Systems (hier sind dann die Hände des Feuerwehmannes gemeint) verdeutlicht. Bei dem Rutschvorgang entsteht eine Kette, in der die Energieformen fließend ineinander übergehen. Aus der potenziellen Energie wird kinetische Energie, die wiederum (durch das Bremsen) in innere Energie gewandelt wird. 

innere Energie entsteht aus potenzieller und kinetischer Energie

Berechnung der inneren Energie

Zusammenfassend kannst du dir also merken, dass die potenzielle Energie zunächst in kinetische Energie umgewandelt wird und dann in die innere Energie, die am Schluss in dem System gespeichert ist. Zur Berechnung der inneren Energie in unserem Beispiel musst du die anfänglich vorhandene potenzielle Energie des Feuerwehrmanns mit Hilfe der Formel $E_{pot} = {m}\cdot{g}\cdot{h}$ berechnen. Hierfür benötigst du die Masse des Körpers bzw. des Systems ($m$), die konstante Erdbeschleunigung ${9,81}\frac{m}{s^2}$ und die Höhe ($h$), in der sich das System befindet. Für einen 80 kg schweren Feuerwehrmann, der sich vor dem Rutschen in einer Höhe von 5 Metern befand, ergibt sich somit folgendes innere Energieniveau: $E_{inn} = {80kg}\cdot{9,81}\frac{m}{s^2}\cdot{5m}$. Die Energie, die als innere Energie in das System übergeht, wäre in diesem Beispiel also $3924 \frac{kg\cdot m^2}{s^2} = 3924J$.

Mit dieser Berechnung kannst du feststellen, wie viel Energie von außen einem System zugeführt wird. Beachte, dass nicht nur potenzielle Energie in innere Energie umgewandelt werden kann, sondern unter anderem auch Bewegungsenergie.

Jedes System hat aber auch ein grundlegendes inneres Energiepotenzial. Das ist die Gesamtenergie, die in einem System vorhanden ist. Diese entsteht aus der Summe der kinetischen und potenziellen Energie aller Teilchen eines Körpers.

Jetzt weißt du das wichtigste über die innere Energie, wie sie entsteht und wie du sie berechnen kannst. Dein neu erlerntes Wissen kannst du nun an unseren Aufgaben überprüfen. Dabei wünschen wir dir viel Spaß und Erfolg!