Geschichten, die das Leben schrieb

James Prescott Joule (✶1818 - †1889)
Anno 1818 kam James Prescott Joule auf die Welt und sagt, dass Energie und Arbeit in der gleichen Einheit angegeben werden.

Energie E und Arbeit W in J (Joule)
(1J = 1Nm = 1Ws = 1kgm²/s²)

W = F·h = 1mkg/s²·1m = 1kgm²/s²

Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft wirkt und sich das ganze in eine Richtung bewegt. Arbeit ist Kraft mal Weg.

Zu Ehren von James Prescott Joule wird die Einheit Nm (Newtonmeter); kgm²/s² Joule (J) genannt.

Man spricht von Arbeit wenn Energie von einer Energieform in eine andere Energieform umgewandelt wird und man spricht von Energie wenn die Energie irgendwo ist und auf Umwandlung wartet.

Aha! Pfupf ist Energie!. Energie ist Kraft mal Weg und hat das Grössenzeichen E in der Einheit J (Joule). Die Kraft in Newton zu berechnen haben wir im früheren Kapitel bei Isaac Newton gelernt und der Weg in Meter ist die Höhendifferenz. Für die Höhendifferenz verwende ich die Grösse Δh (Delta-h) in der Einheit m (Meter). Der griechische Buchstabe Δ steht für eine Differenz oder einen Unterschied.

Energie Erde E_Erde = F_Erde · Δh = 981N · 300m = 294'300Nm = 294'300J

Energie Mond E_Mond = F_Mond · Δh = 162N · 300m = 48'600Nm = 48'600J

Demnach brauche ich auf dem Mond seschsmal weniger Energie um 300m aufzusteigen als auf der Erde!

Und die Zeit, die kommt in der Formel gar nicht vor? Moment nicht so schnell zuerst mal ein Résumé machen:

Auso nomau...
Ich habe Energie im Bauch in Form von chemischer Spaghetti Energie. Während der Fahrt auf den Belpberg wandeln meine Muskeln die chemische Spaghetti Energie durch treten in die Pedale in mechanische Energie um und bringen mich Richtung Chutzen. Gemäss James Prescott Joule sei das Arbeit. aber wieviel?

Von Belp auf den Belperg brauche ich mindestens 368kJ. Ein Teller Spaghetti liefert etwa 650kJ, das reicht.

Meine Energie auf dem Belpberg ist also 294'300J höher als in Belp. Woher ist diese Energie gekommen? Das muss während dem Aufstieg passiert sein. Ausser mir hat Niemand geschwitzt also muss das von mir sein aber woher? Das ist sicher von den Spaghetti die ich am Mittag gegessen habe und während dem Aufstieg auf den Belpberg verdaut habe. Als ich vom Belpberg runterfuhr, kamen die Spaghetti nicht zurück! Zurück in Belp habe ich die Energie vermutlich nicht mehr sonst wäre ich ein Perpetuum Mobile eine utopische Maschine die ohne Energiezufuhr dauernd Arbeit leistet. Wohin ist die Energie gegangen?

Oder anders gefragt, wie nehme ich die Energie mit, wenn ich wieder runter fahre? Daran haben die Helden auch gedacht. Das kann man aus der Geschwindigkeit v rechnen, das ist die Bewegungsenergie (Kinetische Energie). Jeder Körper in Bewegung hat diese Energie und sie hängt von der Masse und der Geschwindigkeit ab.

Bewegunsenergie (Kinetische Energie) E_KIN = m·v²/2

Die Energie der Lage (Potenzille Energie) kenn wir schon, wir lösen sie nur nach den SI-Basisgrössen auf. Das ist die Energie, die ich mit Arbeit während dem hochstrampeln in mich geladen habe.

Energie der Lage (Potenzielle Energie) E_POT = F·a = m·a·Δh

Wenn ich die gesamte Potenzielle Energie in Kinetische Energie umwandeln könnte, wie schnell würde ich werden? Probieren wir mal:

275km/h wäre ein schönes Tempo aber eben nur theoretisch. Der Gegenwind würde bremsen und ich selbst würde auch bremsen, dann würde es kaum so schnell werden. Aber wohin geht die Energie? Wenn ich unten angekommen bin und stehe, müsste sie umgewandelt worden sein? Vernichten geht bekanntlich nicht. Sie geht als Wärme in die Bremsklötze und in die Felgen basta. Was warm! Heiss würden sie werden. Und schlussendlich als Wärme an die Umwelt, wenn sich das Velo nach einer gewissen Zeit abgekühlt hat.

Achtung obermegawichtig! Den Energieerhaltungssatz der Mechanik (Energiesatz) sofort auswendig lernen!

Energieerhaltungssatz der Mechanik (Energiesatz)

In einem reibungsfreien mechanischen System ist die Gesamtenergie zu jeder Zeit gleich wenn es von aussen nicht beeinflusst wird. Dabei kann die Gesamtenergie auf unterschiedliche mechanische Energieformen verteilt sein. Dieses Prinzip nennt man Energieerhaltung.

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet sondern nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden.

Unterschied zwischen Energie und Arbeit in Prosa

Der Unterschied zwischen Energie und Arbeit war ursprünglich die Frage: Energie macht nichts und wenn man Energie von einer Form in eine andere Form überträgt, nennt man das Arbeit.

Unterwegs schwitze ich. Diese Energie gebe ich während dem Aufstieg als Wärme (thermische Energie) an die Umgebungsluft ab. Ich wandle einen Teil der Spaghetti Energie in Abwärme um. Die zugeführte Energie ist die Spaghetti Energie und die abgeführte Energie wird zu potenzieller und thermischer Energie.

Brauchenergieumwandlungszahl = W_ab / W_zu

Angenommen ich gebe 20% der Spaghetti Energie als Abwärme an die Umgebung ab, dann wandle ich 80% der Spaghetti Energie in potenzielle Energie um. Damit ich oben 294'300 J habe (80%) habe muss ich 294'300 J / 0.8 = 367'875 J (100%) Spaghetti Energie umwandeln.

W_zu = 367'875 J
W_ab = 294'300 J

Brauchenergieumwandlungszahl = W_ab / W_zu = 294'300 J / 367'875 J = 0.8

Und schon haben wir den Wirkungsgrad η entdeckt. Das ist simpel und einfach die %-Zahl der umgewandelten Energie in die gewünschte Energieform.

Und die Energieumwandlungsgeschwindigkeit, was ist denn das?

Für die Energieumwandlungsgeschwindigkeit brauche ich einen Namen. Arbeitsgeschwindigkeit oder Schwitzintensivität? Bevor ich selbst etwas erfinde, schaue ich nach wer über dieses Thema Hirnschmalz umgewandelt hat. Bei James Watt → bin ich fündig geworden.