Energieumwandlung im Labor erforschen | Lernspiel

Energie tritt in vielen Formen auf – aber nicht immer in der Form, die wir gerade brauchen. Gibt es eine Möglichkeit, Energie durch ein geschicktes System von Energiewandlern optimal zu nutzen? Diese Frage lässt sich im virtuellen Labor untersuchen:

Virtuelles Energie-Labor starten

So funktioniert das Energie-Labor

Im Labor lassen sich verschiedene Formen von Energie ineinander umwandeln. Das Gewicht ist am Anfang ganz nach oben gezogen. Sobald man den hölzernen Hebel (links oben) umlegt, rollt das Seil ab. Das Gewicht verliert Höhe und treibt dabei einen Dynamo an. Der so entstehende Strom lädt den Akkumulator auf.

Mit dem Schalter (rechts oben) schließt man den Stromkreis zwischen Akku und Lampe. Das Licht der Lampe scheint auf die Solarzelle, die wiederum den Motor antreibt. Damit wird das Gewicht wieder nach oben gekurbelt. Danach kann erneut der Hebel umgelegt werden, sodass das Gewicht ein weiteres Mal nach unten sinkt und den Dynamo in Bewegung setzt.

Über die Skalen lassen sich Lageenergie, chemische Energie und die freigewordene Wärme in Echtzeit miteinander vergleichen. Außerdem kann man ausprobieren, wie sich das Verhalten der Geräte ändert, wenn man den "Perpetuum mobile"-Schalter betätigt – leider ist ein solcher Schalter in der Wirklichkeit nicht möglich.

In der Simulation Energie-Labor kann anhand einer Skala die Energieumwandlung in Echtzeit beobachtet werden. Zu sehen sind die vorhandene Lageenergie und die chemische Energie sowie die während des Versuchsablaufs freigewordene Wärme. (Foto: Screenshot aus Simulation) — Das Messgerät zeigt synchron zum Versuchabslauf an, wie viel Lageenergie und chemische Energie vorhanden ist und wie viel Wärme freigegeben wurde. Beim Betrieb einer konventionellen Glühlampe ist der Wärmeverlust zum Beispiel besonders groß. Screenshot aus Simulation

Hintergrundinformationen zum Thema Energieumwandlung:

Ein Automotor wandelt chemische Energie, die im Benzin gespeichert ist, in Bewegungsenergie um – in der Theorie ist das ganz einfach. Tatsächlich passiert noch einiges mehr: Der Motor wird warm und das Auto erzeugt Abgase und Lärm. Anders ausgedrückt: Im Motor bleibt Wärmeenergie übrig; die Abgase enthalten Wärme und Bewegungsenergie und auch mit den Schallwellen entweicht Energie aus dem Motor – das sind eigentlich unerwünschte Energieformen.

Das geschieht auch bei anderen Energieumwandlungen: Eine Solarzelle soll Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln – das gelingt aber nur mit einem Teil der Strahlungsenergie, der Rest endet als Wärme. Selbst wenn die Energie nur transportiert werden soll, kommt nicht alle Energie in der gewünschten Form am Ziel an. Elektrische Leitungen erwärmen sich, ein Teil der elektrischen Energie wird unterwegs zu Wärme. Achsen drehen sich in Achslagern – auch hier entsteht Reibungswärme und die Rotationsenergie nimmt ab.

Die Energie geht dabei zwar nicht verloren, aber sie kommt nicht zu 100 Prozent dort an, wo man sie gerne hätte. Wie viel Prozent der Energie, die man in ein Gerät investiert, dann wirklich in der gewünschten Form herauskommen, bezeichnet man als den Wirkungsgrad des Geräts. Für einen Benzinmotor beträgt er zum Beispiel etwa 20 Prozent.

Schön wäre es, wenn man die restliche Energie „einfangen“ und auch in die gewünschte Form umwandeln könnte. Leider ist das aber gerade bei Wärme nicht möglich, denn Wärme hat eine störende Eigenschaft: Alle Energieformen können vollständig in Wärme umgewandelt werden – aber Energie, die in Wärme vorliegt, kann man nicht vollständig in eine andere Energieform zurückwandeln. Es bleibt immer ein nicht umwandelbarer Anteil von Wärme und die darin enthaltene Energie übrig. Diese Energie ist zwar immer noch da, aber sie kann nicht mehr in anderer Form genutzt werden – sie ist wertlos. Durch eine Umwandlung in Wärme wird die Energie also entwertet.

Oft spricht man statt von „Energieentwertung“ auch von „Energieverbrauch“ oder „Energieverlust“. Streng genommen ist das aber nicht ganz richtig – schließlich ist die Energie noch da, nur eben in einer Form, die man nicht mehr anders nutzen kann.

Man kann einiges tun, um so wenig Energie wie möglich zu entwerten: Windschnittigere Autos mit geringerem Luftwiderstand bauen, Oberflächen polieren, damit keine Reibung auftritt, Achsen mit Kugellagern ausstatten und mit Fett oder Öl schmieren. Aber wie weit lässt sich die Energieentwertung vermeiden? Kann man ein Gerät völlig ohne Reibung bauen?

Eine solche Maschine könnte ewig laufen, wäre also auch ein Perpetuum Mobile – und auch sie kann es nicht geben. Denn ganz lässt sich nicht verhindern, dass Reibung auftritt. Ständig wird ein bisschen Bewegungsenergie zu Wärme – und die lässt sich nicht wieder vollständig zurückwandeln. So wird im Laufe der Zeit immer mehr Energie zu Wärme, bis am Ende alle Energie in Wärme vorliegt und die Maschine stehen bleibt.