Einbahnstraße der Energie einfach erklärt

Einbahnstraße, denn es geht nur in eine Richtung

Eine Einbahnstraße im Straßenverkehr darf nicht entgegen der vorgeschriebenen Richtung befahren werden, aber es ist natürlich technisch möglich, dies zu tun. Mit Energie ist es ähnlich.

• Energie geht in einem geschlossenen System nicht verloren, aber sie wandelt sich von einer Energie in eine andere. Beispiel: Ein Ball fällt herunter, die potenzielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt.
• Diese Art der Energieumwandlung ist keine Einbahnstraße, denn wie Sie sicher wissen, wird der Ball aufprallen und wieder nach oben geschleudert werden. Dabei wandelt sich die kinetische Energie in potenzielle Energie.
• Sie werden aber schnell bemerken, dass der Ball nicht wieder die gleiche Lage erreicht wie zu Beginn. Mit einem feinen Thermometer können Sie feststellen, dass der Ball während des Falls durch Reibung in der Luft und während des Aufpralls warm wird. Fall Sie Squash spielen, kennen Sie sicher das Phänomen, dass ein Ball warm wird, wenn er mit einem Schläger gegen die Wand oder den Boden gedroschen wird. Diese Energieumwandlung ist eine Einbahnstraße, denn ohne weiteren Einsatz von Energie werden Sie es nicht schaffen, dass der Ball durch Wärme wieder in Bewegung kommt.

Der Energiefluss geht in eine Richtung

Um sich zu verdeutlichen, dass die Energiewandlung nur in eine Richtung geht, können Sie sich einfache Vorgänge im Alltag vor Augen halten. Dabei müssen Sie exakterweise von Energieumwandlung sprechen, denn Energie wird weder erzeugt noch verbraucht, vielmehr wird eine Energieart in eine besser nutzbare Energieart verwandelt. Beispiel: Dampfturbine in einem Kraftwerk. Nun zu den Vorgängen zur Verdeutlichung der Einbahnstraße:

• Die Wärmeenergie verteilt sich gleichmäßig im System. Dabei gibt es nur die Richtung, dass sich die Wärme auf die Kälte verteilt. Legen Sie einen Eiswürfel auf einen Teller. Er wird von der umgebenden Luft erwärmt und schmilzt. Das entstandene Wasser erwärmt sich auf die Temperatur des umgebenden Raumes. Zum Schluss ist alles gleichmäßig warm.
• Geben Sie heißes Wasser in eine kalte Tasse, die Tasse wird warm, bis das Wasser und die Tasse die gleiche Temperatur haben. Tasse und Wasser geben nun so lange Wärmeenergie an den umgeben Raum ab, bis die Temperatur überall konstant ist.
• Wie Sie zum Beispiel durch Dampfmaschinen wissen, kann thermische Energie durchaus wieder in kinetische oder potenzielle Energie umgewandelt werden, dazu ist aber ein thermisches Gefälle notwendig. Auch bei anderen Arten der Energieumwandlung gibt es immer das Problem, dass thermische Energie erzeugt wird, die nicht genutzt werden kann.
• Eine Umkehrung des Prozesses, dass sich die thermische Energie gleichmäßig verteilt, findet nicht statt, das Wasser gefriert nicht wieder zu Eis, die Tasse wird nicht wieder wärmer und erwärmt das Wasser nicht. Die Verteilung der Energie ist also eine Einbahnstraße.

Thermodynamik und die Einbahnstraße der Energie

An den genannten Beispielen des Alltags, die Sie leicht im Experiment nachstellen können, sofern diese Ihnen nicht geläufig sein sollten, können sie die Hauptsätze der Thermodynamik nachvollziehen.

• 1. Hauptsatz: Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Energie geht nicht verloren, aber sie wird umgewandelt. Dabei gibt es den natürlichen Prozess, dass die Energieform Wärme angestrebt wird und diese sich gleichmäßig verteilt.
• 2. Hauptsatz: Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar. Das ergibt sich aus der Tatsache, dass Wärme von Natur aus sich gleichmäßig im System verteilt. Um Wärme in andere Energieformen zu wandeln, brauchen Sie aber ein Wärmegefälle.

Das wird als Einbahnstraße der Energie verstanden.