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Fassen wir das System und seine Umgebung innerhalb einer äußeren Grenze zusammen, bleibt die Gesamtenergie darin konstant, solange keine Energie diese äußere Grenze überquert.
Gibt ein Gerät weniger elektrische Energie ab, als ihm zugeführt wurde, wird die Differenz an die Umgebung übertragen oder als innere Energie im Gerät gespeichert. Sie kann als Wärme, Schall, Vibration oder unerwünschte Strahlung auftreten.
Die Energieerhaltung gilt für jede Übertragung und Umwandlung innerhalb eines Systems.
Ein System ist der Teil, den wir analysieren möchten. Alles außerhalb des Systems wird Umgebung genannt. Lege die Systemgrenze vor der Energiebilanz fest, denn sie bestimmt, welche Energieübertragungen in die Rechnung hineinführen oder sie verlassen.
Das Diagramm zeigt jeden Ausgang. Ein System kann Nutzenergie abgeben und zugleich Energie als Wärme, Schall oder Vibration an die Umgebung übertragen.
| Ausgewähltes System | Energie, die in das System gelangt | Energie, die das System verlässt |
|---|---|---|
| Wasser und Erde, ohne Luftwiderstand oder Energieübertragung nach außen | keine | keine. Potenzielle Energie wird innerhalb des Systems zu kinetischer Energie |
| Turbine und Generator | Rotationskinetische Energie | elektrische Energie, Wärme, Schall |
| Solarpanel | Strahlungsenergie aus Sonnenlicht | elektrische Energie, Wärme, reflektiertes Licht |
In der ersten Zeile gehört die Erde zum System, denn die potenzielle Gravitationsenergie hängt mit der Wechselwirkung zwischen Wasser und Erde zusammen. Eine Energieumwandlung innerhalb des Systems ist etwas anderes als eine Übertragung über die Systemgrenze.
Viele Einführungsaufgaben vernachlässigen Reibung und Luftwiderstand, sodass im Modell nur kinetische Energie und potenzielle Gravitationsenergie verbleiben. Die mechanische Energie lautet dann:
Wenn keine Reibung, kein Luftwiderstand und keine äußere Arbeit vorhanden ist, bleibt die mechanische Energie konstant.
Der Index kennzeichnet den Anfangszustand, der Index den Endzustand.
Angenommen, Wasser mit der Masse fällt aus einer Höhe von . Wenn wir verwenden und das Wasser als ursprünglich ruhend behandeln, beträgt seine anfängliche potentielle Gravitationsenergie:
Wenn keine Energie an die Umgebung gelangt, werden die vollständig in kinetische Energie des Wassers umgewandelt. In einer realen Anlage gelangt dagegen ein Teil als Wärme, Schall oder Vibration an die Umgebung.
In einer Anlage für erneuerbare Energien ist die gewünschte Ausgabe meist Nutzenergie, etwa elektrische Energie. Die Energieerhaltung gilt weiterhin, doch die zugeführte Energie wird nicht vollständig in Strom umgewandelt.
Im folgenden Beispiel ändert sich die im Gerät gespeicherte Energie nicht, daher gilt . Fließendes Wasser transportiert Energie zu einer kleinen Turbine. Der Generator erzeugt elektrische Energie. An die Umgebung werden damit folgende übertragen:
Die sind also nicht verschwunden. Sie wurden an die Umgebung abgegeben, etwa als Wärme an der Welle, als Schall oder als Vibration der Konstruktion.
Wasserkraftwerke nutzen einen Höhenunterschied des Wassers, um Turbinen und Generatoren anzutreiben.
Das Energieerhaltungsgesetz dient auch als Prüfwerkzeug. Bei einer Energieangabe müssen alle Umwandlungs- und Übertragungswege berücksichtigt werden.
Für die drei folgenden Behauptungen gilt: Die gespeicherte Energie ändert sich nicht während der Beobachtung.
| Behauptung | Prüfung mit der Energieerhaltung |
|---|---|
| Ein Modul empfängt Strahlungsenergie und erzeugt elektrische Energie | Für ein reales Modul ist diese Behauptung unrealistisch. Nach dem Energieerhaltungsgesetz wäre sie nur möglich, wenn kein Licht reflektiert und keine Energie in Wärme umgewandelt würde. |
| Eine Turbine erhält und produziert Strom | Diese Angabe ist sinnvoll, wenn die übrigen an die Umgebung abgegeben werden. |
| Eine Maschine produziert ohne weitere Quelle Strom aus zugeführter Energie | Diese Behauptung widerspricht dem Energieerhaltungsgesetz. |
Eine Photovoltaikzelle wandelt nicht das gesamte einfallende Licht in Strom um. Ein Teil des Lichts wird reflektiert, ein anderer Teil wird zu Wärme.
Ein effizientes Gerät wandelt einen größeren Anteil der zugeführten Energie in die gewünschte Nutzenergie um und überträgt einen kleineren Anteil an die Umgebung. Die Bezeichnung sauber erfordert zusätzliche Belege zu Emissionen, Rohstoffen, Flächen- oder Wasserbedarf und Abfällen.
Auch erneuerbare Energiequellen gehorchen dem Energieerhaltungsgesetz. Sonnenlicht, Wind, Wasser, Erdwärme und Biomasse liefern Energie. Technische Anlagen wandeln sie in die Form um, die wir nutzen möchten.
Verfolge die Energie von der Quelle zur Umwandlungsanlage. Ein Teil wird als Nutzenergie abgegeben, ein anderer Teil gelangt an die Umgebung.
Um die Energieerhaltung bei einer Technik für erneuerbare Energie zu prüfen, beantworte drei Fragen:
Die Antworten zeigen die Energiequelle, alle Energieübertragungen aus dem System und den nutzbaren Anteil der Ausgabe.
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