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Energie und Entropie

Diese Kategorie enthält 33 Beiträge

Spuren am Strand

Spuren_am_StrandBei der Erschließung der Vergangenheit und der Welt schlechthin sind wir oft darauf angewiesen, uns mit Spuren auseinanderzusetzen, um sie zu deuten und daraus Erkenntnisse zu gewinnen, die auf andere Weise nicht zu erlangen wären. Diese Spurensuche kann insbesondere in den Naturwissenschaften zu Ergebnissen führen, die man so vielleicht nicht erwartet hätte: „Wir haben an den Gestaden des Unbekannten eine sonderbare Fußspur entdeckt. Wir haben tiefgründige Theorien, eine nach der anderen ersonnen, um ihren Ursprung aufzuklären. Weiterlesen

Das Schwimmgleichgewicht energetisch betrachtet

Schiff_AuftriebSuhr, Wilfried; Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 67/1 (2014) 23 – 26

Wenn man sich mit schwimmenden Gegenständen befasst, beschränkt man sich meistens auf den Endzustand eines Vorgangs, bei dem das aus Flüssigkeit und Gegenstand bestehende System bereits ins Gleichgewicht gelangt ist. Aus der in der vorliegenden Arbeit eingenommenen energetischen Perspektive rückt dagegen dieser Vorgang selbst in den Blick, wobei diese Art der Erschließung völlig auf den Druckbegriff verzichten kann. Neben einer allgemeinen qualitativen Erörterung des Problems  werden einige konkrete Beispiele quantitativ beschrieben.

PDF: Kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Was das Feuer am Leben hält

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/12 (2011), S. 44 – 45

Damit eine Kerzenflamme ruhig brennen kann, müssen zahlreiche komplexe Vorgänge perfekt aufeinander abgestimmt sein.

In der Flamme sind alle Naturkräfte tätig.
Novalis (1772 – 1801)

Die gute alte Kerze hat alle Neuerungen der Beleuchtungstechnik überstanden. Gerade auch in der Adventsund Weihnachtszeit, wenn die Tage kürzer werden, setzt sie Zeichen der Hoffnung, der Freude und des Lebens. Was aber denkt sich der Physiker bei ihrem Anblick? Ihn beeindruckt über all das hinaus der Kontrast zwischen der Einfachheit der ruhig vor sich hin brennenden Flamme und dem, was unsichtbar bleibt: dem komplexen Zusammenspiel physikalischer, chemischer und technologischer Vorgänge, die das Phänomen erst möglich machen.

Die Kerzenflamme, so beständig sie erscheint, ist Ergebnis eines äußerst bewegten Mikrogeschehens: In jedem Moment verlassen Teilchen verglühend den klar umgrenzten Bereich der Flamme und werden durch neu erglühende Teilchen ersetzt. Rein energetisch betrachtet ist die Flamme der sichtbare Teil einer „dissipativen Struktur“ (Ilya Prigogine), eines von Energie und Materie durchströmten Systems fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht. Aufrechterhalten wird die Flamme durch die Dissipation von Energie: Sie nimmt hochwertige chemische Energie und Materie in Form von Kerzenwachs und Sauerstoff auf und gibt im Gegenzug Wärme und Gase an die Umgebung ab. Energie- und Materieströme bleiben dabei im zeitlichen Mittel konstant. Warum klappt das so gut? Oder etwas technischer gefragt: Wie kommt es zu dieser eindrucksvollen Selbstorganisation gut aufeinander abgestimmter Vorgänge?

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/was-das-feuer-am-leben-haelt/1124690

Das Heizparadoxon

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/1 (2011), S.48-49

Warum wird ein Zimmer durch Heizen wärmer? Etwa, weil wir die Energie der Raumluft erhöhen? Mitnichten!

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/das-heiz-paradoxon/1055752

Die Energie der platzenden Kirsche

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/7 (2010), S.32 – 33

Was einer reifen Frucht den Kragen platzen lässt, könnte bald zu unserer Energieversorgung beitragen.

Kirschen haben es nicht leicht. Selbst wenn die Blüten des Kirschbaums nicht erfroren sind und bestäubt wurden, kann ihnen noch in der Endphase langanhaltender Regen zu schaffen machen. Wenn die Wassertropfen zu lange an der Haut der Kirschen anhaften, platzt ihnen schließlich „der Kragen“ (siehe oberes Foto). Die so entstehenden Einschnitte ins Fruchtfleisch sind ein Einfallstor für Schädlinge, insbesondere Pilze, die in den meisten Fällen dafür sorgen, dass die Kirsche ungenießbar wird. Weiterlesen

Paradoxe Federn aus dem Blickwinkel des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik

Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 57/2  (2004) S. 78 – 80.

Situationen, die unsere Anschauung auf Kollisionskurs bringen, verweisen oft auf eine tiefe physikalische Einsicht, auch wenn sie sich als so genannte Paradoxa in die Lehrbuchliteratur eingeschrieben haben. Man denke nur an das hydrodynamische und hydrostatische Paradoxon, an das GIBBsche und an das Uhrenparadoxon, um nur einige zu nennen. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere in diesem Sinne paradoxe Situationen in der Physik, ohne dass sie zu
einer entsprechenden Namensgebung gelangt wären. Diese zuweilen in Form eines Rätsels oder einer Denksportaufgabe gekleideten Herausforderungen der lebensweltlichen Intuition sind oft von didaktischem
Nutzen, weil sie physikalische Überzeugungen auf die Probe stellen und zu physikalischen Argumentationen anregen.

Manche derartig paradox erscheinende Situationen lassen sich mit Hilfe des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik aus der Welt schaffen und helfen dabei, mit der Universalität dieses Prinzips vertraut zu werden. Als Beispiel sei an die nur mechanische Sachverhalte betreffende Frage erinnert, um wie viel die
Energie des Wassers in einem Gefäß abnimmt, wenn man das Gefäß an der tiefsten Stelle mit einem gleichgroßen leeren zweiten Gefäß verbindet [1]. Wenn man das Problem nicht schon kennt oder aufgrund der vermeintlichen Trivialität Verdacht schöpft, tappt man unweigerlich in die Falle.

PDF: Paradoxe Federn aus dem Blickwinkel des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik

Thermodynamik und Strukturbildung am Beispiel der Entstehung eines Flussnetzwerkes

Schlichting, H. Joachim; Nordmeier, V. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht, 53/8, 450-454 (2000).

Mit allgemeinen thermodynamischen Argumenten wird versucht, eine Antwort auf die Frage zu geben, warum Flussnetzwerke (wie sie z. B. bei der natürlichen Entwässerung von Flächen entstehen) jene typischen verästelten, fraktalen Muster ausbilden. Ausschlaggebend für derartige Strukturbildungsprozesse ist, dass die Energiedissipationsrate des fließenden Wassers minimal wird. Diese Aussage wird in einem einfachen Algorithmus zur Simulation von Flussnetzwerken umgesetzt.

PDF: Thermodynamik und Strukturbildung am Beispiel der Entstehung eines Flussnetzwerkes

Probleme der nichtlinearen Physik und der Nichtgleichgewichtsthermodynamik anhand von Freihandexperimenten

Schlichting, H. Joachim; Nordmeier, Volkhard. In: Physik in der Schule 38/6, 420-424 (2000).

  • Zündet man eine Kerze an, so nimmt die Flamme eine für alle Kerzen typische Endgröße an und behält diese bei, solange sie mit Wachs versorgt wird. Warum wird die Flamme nicht größer, wenn genügend Brennstoff zur Verfügung
    steht?
  • Ein fallender Gegenstand wird zunächst schneller, bis er schließlich mit einer charakteristischen Endgeschwindigkeit sinkt. Warum behält
    er diese Geschwindigkeit bei?
  • In einem Sektglas steigen Blasen auf. Warum lösen sich die Blasen genau dann, wenn sie eine bestimmte Größe erreicht haben?
  • Schreckt man ein Ei unter fließendem Wasser ab, so bewegt es in auf den Wasserstrahl zu. Warum wird es nicht zur Seite weggedrängt?

Diese und andere Fragen haben eines gemeinsam: Sie werden meist nicht gestellt. Sie betreffen zwar auffällige Erscheinungen, entziehen sich aber dem klassischen physikalischen Blick. Physikalisch handelt es sich um Vorgänge, bei denen sich Systeme aus dem thermodynamischen Gleichgewicht heraus in einen stationären Nichtgleichgewichtszustand entwickeln, und diesen gegen äußere Störungen zu stabilisieren versuchen. Da der Nichtgleichgewichtszustand
oft mit einer charakteristischen Struktur verbunden ist, spricht man auch von Strukturbildung.

PDF: Probleme der nichtlinearen Physik und der Nichtgleichgewichtsthermodynamik anhand von Freihandexperimenten

Von der Energieentwertung zur Entropie

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften / Physik 49/2, 7-11 (2000).

Zur physikalischen Beschreibung der lebensweltlichen Energie sind zwei komplementäre physikalische Konzepte nötig: Energie und Entropie. Die Energie beschreibt den Erhaltungsaspekt, die Entropie den Verbrauchs- und Antriebsaspekt. Wir haben vorgeschlagen, die Entropie im Rahmen der Mittelstufenphysik vorläufig durch das (qualitative) Konzept der Energieentwertung zu ersetzen und dadurch ein weitgehendes qualitatives Verständnis der Energetik zu erreichen. Auf dieser Grundlage wird im folgenden ein Weg zu einer Quantifizierung der Energieentwertung als Entropie skizziert.

PDF: Von der Energieentwertung zur Entropie

Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften/ Physik 49/2 (2000); 2-6. 

Geht man davon aus, dass es zu den allgemeinen Zielsetzungen des Physikunterrichts gehört, ein angemessenes Verständnis der durch die Naturwissenschaften geprägten Welt zu ermöglichen, so kann sich der Unterricht nicht auf die Idealgestalten der Physik beschränken, sondern muß sich einer aktiven Auseinandersetzung mit den lebensweltlichen Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler stellen.
Die Thermodynamik mit ihren allgemeinen Begriffen und Konzepten wie System, Zustand, Zustandsänderungen, Energie und Entropie kann dabei eine wesentliche Rolle spielen. Zwar ist schon seit längerem die Bedeutung der Energie als Brücke zwischen Physik und Lebenswelt erkannt worden. Leider beschränken sich die meisten Einführungen der Energie auf den Aspekt der Energieerhaltung. Die lebensweltlichen Erfahrungen im Umgang mit der Energie sind aber darüber hinaus vor allem durch den Energieverbrauch und den Antrieb von Vorgängen geprägt. Die Vernachlässigung, ja die bewußte Unterdrückung dieser Aspekte verhindert geradezu, dass Beziehungen zwischen physikalischen Konzepten und lebensweltlichen Erfahrungen gesehen werden.

PDF: Energieentwertung – ein qualitativer Zugang zur Irreversibilität

Von der Dissipation zur Dissipativen Struktur

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften / Physik 49/2, 12-16 (2000).

Im Rahmen des Energieentwertungkonzepts wird das Warmhalten von Tee auf einem Stövchen folgendermaßen beschrieben: Der selbsttätige Vorgang der Abkühlung des Tees auf Umgebungstemperatur wird ständig durch den Vorgang des Abbrennens der Kerze zurückgespult, so dass das Teewasser auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur eingeregelt und das System in einem stationären Nichtgleichgewichtszustand gehalten wird. Solche Nichtgleichgewichtszustände umgeben uns in großer Zahl…

PDF: Von der Dissipation zur Dissipativen Struktur

Energieentwertung und Entropie

Schlichting, H. Joachim. In: Schriften des Deutschen Vereins zur Förderung des mathematischen und naturwissenschaftlichen Unterrichts e.V, Heft 61, S. 37 : Fragen der Physiklehrerausbildung, ISSN 0179-7670.

Geht man davon aus, daß es zu den allgemeinen Zielsetzungen des  Physikunterrichts gehört, ein angemessenes Verständnis der durch die  Naturwissenschaften geprägten Welt zu ermöglichen, so kann sich der  Unterricht nicht auf die Idealgestalten der Physik beschränken, sondern muß  sich einer aktiven Auseinandersetzung mit den lebensweltlichen Erfahrungen  der Schülerinnen und Schüler stellen.
Die Thermodynamik mit ihren allgemeinen Begriffen und Konzepten wie System, Zustand, Zustandsänderungen, Energie und Entropie kann dabei eine  wesentliche Rolle spielen. Zwar ist schon seit längerem die Bedeutung der Energie als Brücke zwischen Physik und Lebenswelt erkannt worden. Leider  beschränken sich die meisten Einführungen der Energie auf den Aspekt der Energieerhaltung. Die lebensweltlichen Erfahrungen im Umgang mit der Energie sind aber darüber hinaus vor allem durch den Energieverbrauch und den  Antrieb von Vorgängen geprägt. Die Vernachlässigung, ja die bewußte Unterdrückung dieser Aspekte verhindert geradezu, daß Beziehungen zwischen physikalischen Konzepten und lebensweltlichen Erfahrungen gesehen werden.

PDF: Energieentwertung und Entropie

Das „Metapendel“. Oder: eine sich selbst antreibende Schaukel

Schlichting, H. Joachim; Ucke, Christian. In: Physik in unserer Zeit 26/1, 41-42 (1995).

Das Metapendel schwingt nicht nur auf und ab und hin und her, sondern pendelt auch gewissermaßen auf einer Metaebene – zwischen diesen beiden Schwingungszuständen hin und her.

PDF: Das „Metapendel“. Oder: eine sich selbst antreibende Schaukel

Energetik des „springenden“ Hasen

Schlichting, H. Joachim. Physik in der Schule 32/2, 55 (1994).

Wovon hängt die Höhe ab, die man beim Sprung aus dem Stand erreicht? Zum einen hängt sie von der Energie, die ein aus der Hocke hochschnellender Mensch auf der kurzen Strecke der Beschleunigung seinem Körper erteilt. Um diese  Energie aber in optimaler Weise entfalten, d.h. in kinetische Energie des Springers umwandeln zu können, ist zum anderen von Bedeutung, wie der  Springer sich vom Boden abzustoßen vermag, d.h. in welcher Weise der Impulsaustausch mit der Umgebung erfolgt.

PDF: Energetik des „springenden“ Hasen

Energie, Entropie, Synergie – Ein Zugang zur nichtlinearen Physik

Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 46/3, 138-148 (1993).

Energie und Entropie erscheinen nicht nur für das Verständnis und eine sachgerechte Einschätzung der Energie- und Umweltproblematik von. Bedeutung. Darüber hinaus ermöglichen diese Konzepte einen relativ einfachen Zugang zu Problemen der nichtlinearen Physik. Es wird dargestellt, wie ausgehend von lebensweltlichen Erfahrungen mit Energie und Dissipation von Energie (Energieentwertung) unter Berücksichtigung nichtlinearer Verhaltensweisen das Konzept dissipativer Strukturen eingeführt und zu einem Verständnis der unter so entgegengesetzt erscheinenden Begriffen wie Synergetik und Chaos diskutierten nichtlinearen Physik führen kann.

PDF: Energie, Entropie, Synergie – Ein Zugang zur nichtlinearen Physik

Energiehaushalt und Körperbau

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Unterricht Biologie 10/12, 20-24 (1986).

Auch Lebewesen unterliegen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. In diese gehen physikalische Größen ein, die sehr oft vom Volumen oder von einer Fläche (Oberfläche, Querschnittsfläche) des Lebewesens abhängen. Das Volumen V wächst mit der dritten Potenz der Körpergröße bzw. -länge, eine Fläche A jedoch nur mit dem Quadrat der Körpergröße. V nimmt daher mit wachsender Körpergröße schneller zu als A . Dieser einfache geometrische Sachverhalt hat zur Folge, daß alle physikalischen Größen, die durch das Volumen bestimmt sind, ebenfalls schneller mit L wachsen als die Größen, die durch eine Fläche bestimmt sind. Hieraus ergeben sich für Lebewesen weitreichende Konsequenzen.

PDF: Energiehaushalt und Körperbau

Rotationsenergie und Gezeitenreibung

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften- Physik 35/2 (1986) 21.

Spätestens seit dem man beginnt, an geeigneten Küstenabschnitten der Erde die Gezeiten (das pro Tag etwa zweimalige Auftreten von Ebbe und Flut) für die menschliche Energieversorgung zu nutzen [1] ist klar geworden, daß die sich in den Gezeiten manifestierende Energie einem fast unerschöpflichen Reservoir entstammen muß: Wie man der Literatur entnehmen kann [2], entspricht den  Gezeiten ein ständiger Energiestrom von 3 1012 W. Das ist rein rechnerisch etwa das 8fache des Primärenergieverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland. Woher stammt diese Energie? Aus der Sicht des Gezeiten erzeugenden Mondes werden – grob gesprochen – auf der dem Mond zugewandten und abgewandten Seite ortsfeste Aufwulstungen hervorgerufen, unter denen sich die Erde mit  einer Periode von einem Tag hinwegdreht. Dies ist natürlich nicht ohne Reibung möglich. Es drängt sich geradezu die Vorstellung auf, daß die Gezeitenwulste wie zwei riesige Bremsbacken die Erde zum Stillstand zu bringen trachten. Die Gezeitenenergie entstammt nach dieser Vorstellung der Rotationsenergie der  Erde. Eine Abnahme dieser Energie müßte also in einer Verlängerung des (Erd-)Tages zu beobachten sein. In der Tat hat man festgestellt, daß der Tag vor 100 Jahren 0,00164 s länger war als heute [4]. Wieviel Rotationsenergie hat die Erde in dieser Zeit verloren?

PDF: Rotationsenergie und Gezeitenreibung

Der Entropiebegriff als Bindeglied zwischen Physik und Chemie

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: physica didactica 12/2, 35 (1985).

Die übliche Einführung der Entropie als Erhaltungsgroße bei reversiblen Vorgängen verschleiert ihre Bedeutung bei der Beschreibung alltäglicher Erfahrungen. Es wird deshalb vorgeschlagen, die Entropie als Maß für die Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) oder auch für den Antrieb natürlicher
Vorgänge wie eine Grundgröße einzuführen. Bei der völlig analogen Behandlung von chemischen Reaktionen und physikalischen Reibungsvorgängen erweist sich der so eingeführte Entropiebegriff als mögliches starkes Bindeglied zwischen Chemieund Physikunterricht. Wegen ihres weitgehend qualitativen Charakters gehört ein Teil der Überlegungen bereits in den Unterricht der Sek.I.

PDF: Der Entropiebegriff als Bindeglied zwischen Physik und Chemie

Der exergetische Wirkungsgrad

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der Physikunterricht 18/3, 58-61 (1984).

Der exergetische Wirkungsgrad wird eingeführt, um bei der Beurteilung von Energiewandlern den Wert der beteiligten Energiearten berücksichtigen zu können. Am Beispiel einer Raumheizung werden energetischer und  exergetischer Wirkungsrad miteinander verglichen.

PDF: Der exergetische Wirkungsgrad

Energieverbrauch und Energieentwertung

Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo. In: Der Physikunterricht 18/3, 24 (1984).

Ausgehend von den Schwierigkeiten, die vorwissenschaftlichen Erfahrungen und Vorstellungen zur Energie mit dem fachlichen, auf der Energieerhaltung beruhenden Energiebegriff zu erfassen, wird vorgeschlagen, zusätzlich zur Energieerhaltung das Konzept der Energieentwertung einzuführen. Die Energieentwertung beschreibt die letztlich auf der Irreversibilität beruhenden Erfahrungen im Zusammenhang mit energetischen Vorgängen.

PDF: Energieverbrauch und Energieentwertung

Zur Geschichte der Irreversibilität

Schlichting, H. Joachim. Der Physikunterricht 18/3, 5-13 (1984).

Die Hauptentwicklungslinien des phänomenologischen Irreversibilitätskonzepts werden aufgrund historischer Quellen dargestellt. Dabei liegt das Augenmerk auf der Erörterung der verschiedenen Artikulationen, die die Irreversibilität im Laufe ihrer Geschichte erfahren hat.

PDF: Zur Geschichte der Irreversibilität

Entropie und Exergie: Zwei Größen zur Beschreibung von Irreversibilität und Energieentwertung

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der Physikunterricht 18/3, 41-57 (1984).

Die in dem vorangegangenen Aufsatz (Schlichting et al. 1984) zu einem qualitativen physikalischen Begriff gewordene Vorstellung von der Energieentwertung wird mit Hilfe der Additivitätsforderung zu einer quantitativen Größe verschärft, die die Irreversibilität von selbständigen Prozessen beschreibt. An Beispielen werden die Möglichkeiten zur Abschätzung und Messung dieser Größe gezeigt und der Zusammenhang mit der absoluten Temperatur abgeleitet. Die Energieentwertung kann sowohl auf den Entropie, als auch auf den Exergiebegriff zurückgeführt werden. Ein Vergleich dieser beiden Größen zeigt, daß sich die Werte der Exergie besser als die der Entropie im Rahmen eines energetischen Wertkonzepts interpretieren lassen.

PDF: Entropie und Exergie: Zwei Größen zur Beschreibung von Irreversibilität und Energieentwertung

From Energy Devaluation to Exergy

Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo. In: G. Marx (Ed.), Proceedings of the 6th Danube Seminar on Physics Education, Budapest 1983, S. 228 – 242

In school, energy is mostly introduced as a conserved quantity: pupils are taught that it can neither be created nor destroyed. Critical pupils and students feel that this contradicts their experience, according to which
– fuel tanks of cars and trucks become empty,
– their parents have to pay for electrical energy, and gas as each month goes by,
– the depletion of (conventional) energy resources has taken energy into the focus of social-political interest. All this indicates that energy may be consumed.
In order to avoid a discrepancy between what the pupil perceives as reality and the scientific description of reality, it must be stressed that ‚conservation‘ and ‚consumption‘ of energy are not contradictory concepts. They express two complementary aspects of common sense experience. Although the ‚consumption‘ aspect has been conceptualized in physics by entropy, exergy, etc., these quantities are normally not treated in school.
This is at least partially a consequence of the way in which entropy is introduced into the conceptual scheme of physics: in fact, this offers little chance to perceive any relationship between entropy and the experiences of energy consumption and to realize the importance of entropy within physics. The notion of exergy seems to be nearly unknown to physics teachers.

In this paper we shall sketch an introduction procedure of entropy resp. of the closely related concept of exergy. First of all, the experiences of energy consumption are conceptualized by the notion of ‚energy devaluation‘ or ‚degradation‘, which already leads to a far-reaching qualitative understanding. It offers a realistic opportunity to discuss the above mentioned problems in undergraduate physic courses.

The quantitative concept ‘energy devaluation’, finally, is specified by the quantity of ‘exergy’, which takes better into account our intention underlying the experiences of devaluation than entropy does.

Energie und Energieentwertung in Naturwissenschaft und Umwelt

Energie und Energieentwertung_rvSchlichting, H. Joachim. Heidelberg: Quelle & Meyer 1983

Vorbemerkung

Das anhaltende öffentliche Interesse, das der Energieproblematik seit Jahren entgegengebracht wird, hat u. a. zur Folge gehabt, daß die neueren Schulbücher der Energie verhältnismäßig viel Platz einräumen. Diese Aktualisierung des Schulstoffs vermag u. E. jedoch nur wenig zu einem tieferen Verständnis der Energie und der mit ihr zusammenhängenden Probleme der wissenschaftlich technischen Welt beizutragen, u. a. deshalb, weil

  • das Energiekonzept weitgehend unabhängig von seiner Bedeutung für das Alltagsleben eingeführt und
  • auf einen Aspekt, den Erhaltungsaspekt, beschränkt wird, obwohl der Verbrauchs- bzw. Entwertungsaspekt der Energie im Alltag viel ausgeprägter vorzufinden ist.

Sieht man von den wenigen Ausnahmen ab, so spricht der erste Punkt die gängige Praxis an, die Energie als mechanische Größe aus anderen Größen nach dem Schema Kraft à Arbeit à Energie abzuleiten und zu verstehen. Dieser Umweg über andere Größen verzichtet nicht nur auf die Möglichkeit, an das auf vielen vertrauten Vorgängen und Phänomenen beruhende Alltagsverständnis der Energie anzuknüpfen und es entsprechend zu präzisieren, sondern lenkt davon sogar ab. Die Folge ist eine dem Verständnis der Energie abträgliche Interferenz zweier Energiebegriffe. Darüberhinaus konstruiert eine solche physikalische Behandlung der Energie eine weitere Differenz zur Alltagserfahrung: Die Energie wird als Erhaltungsgröße ausgegeben. Die in diesem Zusammenhang auftretende Frage, wieso es dann überhaupt eine Energiekrise geben könne, spielt demgegenüber auf jene Erfahrungen an, die die Energie in den Brennpunkt der gesellschaftspolitischen Auseinandersetzung gerückt hat:

  • Demnach droht der Menschheit die Energie auszugehen.
  • Energiequellen werden in zunehmendem Maße erschöpft.
  • Nach neuen Energieträgern wird gesucht.
  • Allenthalben wird dazu aufgefordert, nicht zu viel Energie zu verbrauchen, sparsam mit ihr umzugehen, energiebewußt zu leben usw.

Außerdem spricht die Erfahrung, daß Heizöl- und Autotanks leer werden, für verbrauchtes Gas und elektrische Energie monatlich bezahlt werden muß, nicht gerade gegen die Möglichkeit des Energieverbrauchs.

Will man die Diskrepanz zwischen dem, was man als Realität wahrnimmt, und der naturwissenschaftlichen Beschreibung derselben nicht noch am Beispiel der Energie vergrößern, so muß es darum gehen, deutlich zu machen, daß Energieerhaltung und Energieverbrauch sich nicht widersprechen müssen, sondern gewissermaßen komplementäre Aspekte derselben Erfahrungen darstellen.

In diesem physikalischen Arbeitsbuch werden auf der Grundlage alltäglicher Erscheinungen die Energie und als notwendige Ergänzung dazu die Energieentwertung als physikalische Größen eingeführt und für das Verständnis der Fragen herangezogen, die unter dem Begriff Energieproblematik (Energieversorgung, Energieverschwendung, Energiesparen usw.) diskutiert werden.

Dabei steht einerseits die exemplarische Vertiefung der durch diese Konzeption aufgeworfenen Probleme im Vordergrund. Andererseits soll aber auch ein Überblick über die wichtigsten Aufgaben und Fragen gegeben werden. Durch zahlreiche Querverweise im Text wird versucht, die vielfältigen Verbindungen zwischen den einzelnen Betrachtungen aufzuzeigen. Hinweise auf möglichst einfach zugängliche Literaturstellen sollen darüber hinaus Möglichkeiten zu Erweiterungen und Vertiefungen geben.

Problemstellungen, die über den physikalischen Rahmen hinausgehen, können im einzelnen nicht verfolgt werden. Es wird aber darauf geachtet, daß in Fällen, in denen eine rein physikalische Behandlung wesentliche Gesichtspunkte unterschlägt, Vertiefungen in der einen oder der anderen Richtung angedeutet werden, bzw. auf Vertiefungsmöglichkeiten durch Angabe geeigneter Literaturstellen hingewiesen wird.

Untersuchungen zur Energetik des Fahrrads

Schlichting, H. Joachim; Nobbe, Reinhold. In: technic-didact 8/4, 225 (1983).

Die folgenden Ausführungen sind als Fortsetzung des in dieser Zeitschrift erschienenen Artikels „Physik des Alltags am Beispiel der Energetik des Fahrrads“ /3/ zu verstehen. Eines der wesentlichen Ergebnisse dieses Beitrages bestand darin, daß unter den gegebenen Bedingungen die Rollreibung nur bei niedrigen Geschwindigkeiten einen größeren Einfluß auf die aufzubringende Leistung hat. Bei einer Geschwindigkeit von 13,5 km/h sind Rollreibung und Luftwiderstand gleich groß. Bei höheren Geschwindigkeiten dominiert der Luftwiderstand /vgl. 3; Bild 3/. Beispielsweise hat die Rollreibung bereits bei 30 km/h mit einer Leistung von 29 W nur noch einen Anteil von 17 %an der
Gesamtleistung von 174 W. Es ist daher von großem Interesse, die Einflüsse auf den Luftwiderstand näher zu untersuchen.

Dazu soll im folgenden Abschnitt 2 zunächst die Wirkung des Windes auf den Radfahrer in einigen ausgewählten Situationen betrachtet werden. Anschließend werden in Kapitel 3 Möglichkeiten des Radfahrers angesprochen, den
Luftwiderstand von sich aus zu beeinflussen. In Abschnitt 4 sollen schließlich die Beschränkung der ebenen Fahrbahn fallengelassen und Steigungen
bzw. Gefälle berücksichtigt werden. In dem abschließenden Kapitel 5 sollen Meßergebnisse, die um die Jahrhundertwende erhoben wurden, mit den
unsrigen verglichen und interpretiert werden.

PDF: Untersuchungen zur Energetik des Fahrrads

Die Einführung der Entropie als Irreversibilitätsmaß – Begriffsbildung und Anwendung auf einfache Beispiele

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 34/5, 282 (1981).

Im Unterschied zur üblichen Entropieeinführung wird hier ein Begriffsapparat entwickelt, mit dem es möglich ist, die Entropie ohne Kenntnis der Thermodynamik idealer Gase als Maß für die Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) natürlicher Vorgänge zu begreifen. Die Autoren hoffen, dadurch ein Verständnis der Entropie in der Schule zu ermöglichen, das der übergreifenden Bedeutung dieses Konzeptes gerecht wird.

PDF: Die Einführung der Entropie als Irreversibilitätsmaß – Begriffsbildung und Anwendung auf einfache Beispiele

Die Unumkehrbarkeit natürlicher Vorgänge, Phänomenologie und Messung als Vorbereitung des Entropiebegriffs

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 34/3, 153 (1981).

Es wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die breite lebensweltliche Basis des Entropieprinzips, die sich z. B. in der Unumkehrbarkeit (Irreversibilität) solcher Vorgänge wie Lösen von Zucker in Tee oder Ausströmen von Luft aus einem Reifen manifestiert, zum Ausgangspunkt der Entropieeinführung zu wählen. Dadurch wird es möglich, die Entropie qualitativ bereits in der Sekundarstufe I zu behandeln. Sie eröffnet dort zusammen mit dem Energiebegriff den Weg zum Verständnis vieler Probleme der »Energie« und Umweltkrise.

PDF: Die Unumkehrbarkeit natürlicher Vorgänge, Phänomenologie und Messung als Vorbereitung des Entropiebegriffs

Der Zusammenhang zwischen Energie, Entropie und Temperatur

Backhaus, Udo; Schlichting, H. Joachim. In: A. Scharmann (Hrsg.), Vorträge der Frühjahrstagung der DPG, Gießen 1980, S. 201- 207

Das Verständnis der thermodynamischen Temperatur wird u. E. durch folgende Umstände erschwert: Bereits die im Zusammenhang mit der Behandlung idealer Gase eingeführte Temperatur ! erhält das Attribut „absolut“, obwohl sie genau wie andere Temperaturskalen definiert wird mit Hilfe der thermischen Verhaltens bestimmter Stoffe. Sowohl die Zahlenwerte als auch die Einheit der thermodynamischen Temperatur stimmen überein mit denen der Idealen-Gas-Temperatur. Es wird dadurch schwierig, den begrifflichen Unterschied zwischen beiden Größen zu verstehen. Die Situation ist diesbezüglich ähnlich entsprechenden Schwierigkeit beim Verständnis von schwerer und träger Masse.
Die üblicherweise nach der Berechnung des Carnotschen Wirkungsgrades angegebene Definitionsgleichung für die thermodynamische Temperatur ist nur richtig unter der Voraussetzung reversibler Prozesse. Dadurch wird der Blick auf die Bedeutung, die die thermodynamische Temperatur gerade für mit Entropieänderung verbundene Vorgänge besitzt, zunächst sperrt.

PDF:  Der Zusammenhang zwischen Energie, Entropie und Temperatur

Entropie und Ordnung bei Anwesenheit von Feldern

Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo; Farwig, Paul. In: A. Scharmann, W. Kuhn (Hrsg.), Vorträge der Frühjahrstagung der DPG, Gießen 1979, S. 195.

Die in intuitiven Beziehungen zwischen Unordnung und Entropie können auch im Falle der Anwesenheit von Feldern mit gleicher Berechtigung aufrechterhalten werden können und ebenso nützlich bei der Konzeptualisierung des Entropiebegriffs sein können wie etwa im eingangs diskutierten Beispiel der Kristallisation. Nur eine allzu sorglose Beobachtung der Phänomene, die häufig durch die Unauffälligkeit thermischer Effekte bzw. die Vernachlässigung gleichzeitig in der Umgebung des betrachteten Systems ablaufender Prozesse bedingt wird, können scheinbare Widersprüche zum 2. Hauptsatz auftreten.

PDF: Entropie und Ordnung bei Anwesenheit von Feldern

Was ist empirisch am Energieerhaltungssatz?

P. Farwig, U. Backhaus und H. J. Schlichting. In A. Scharmann, W. Kuhn (Hrsg.), Vorträge der Frühjahrstagung der DPG, Gießen 1979, S. 201 – 205

Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre in der Form ΔU = ΔW + ΔQ ist natürlich jedermann, der physikalische Grundkenntnisse besitzt, geläufig. Der Lehrer jedoch, der erklären soll, was die einzelnen Ausdrücke in dieser Gleichung bedeuten, muß sich über die Interpretation der Beziehung Rechenschaft ablegen. Ich möchte Ihnen heute unsere Überlegungen dazu vortragen, inwiefern das Gleichheitszeichen in dieser Beziehung empirisch ist, d. h. inwieweit es möglich ist, rechte und linke Seite der Gleichung unabhängig
voneinander zu beobachten.

PDF: Was ist empirisch am Energieerhaltungssatz?

Energie als grundlegendes Konzept

Schlichting, Hans Joachim; Backhaus, Udo. In: Physik und Didaktik 7/2, 139 (1979)

Das durch das ambivalente Verhältnis von Erhaltung und Verbrauch gekennzeichnete lebensweltliche Energiekonzept bildet den Ausgangspunkt der vorliegenden Skizze eines Unterrichtsganges, in dem die Eigenschaft der Erhaltung zum quantitativen (physikalischen) Energiekonzept verschärft wird. Im Unterschied zum üblichen Vermittlungsschema Kraft –> Arbeit –> Energie wird die Energie als Grundgröße eingeführt. Entlang des Energiekonzepts als Leitidee werden sodann ansonsten relativ unverbunden nebeneinander bestehende Phänomenbereiche erschlossen und miteinander verknüpft. Die Verfasser versprechen sich von diesem Vorgehen nicht nur eine Vereinfachung der Sachstruktur, sondern darüber hinaus die Chance, Voraussetzungen für eine sachlich begründete Einschätzung der Energieproblematik zu schaffen.

PDF: Energie als grundlegendes Konzept

Physik des Alltags am Beispiel der Energetik des Fahrrads

Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo. In: technic-didact 8/1, 27 (1983).

Neuere Untersuchungen bestätigen den Eindruck, daß der Physikunterricht zu den unbeliebtesten Fächern gehört (BORN et al. 1978). Einer der Hauptgründe dafür ist u. E. in der mangelhaften Berücksichtigung der spezifischen Differenz zwischen der Lebenswelt der Schüler und der wissenschaftlichen Welt zu sehen. Diese Differenz kommt vor allem dadurch zustande, daß die physikalische Erfassung der Dinge weitgehend verlangt, sie „so zu beschreiben, wie wir sie nicht erfahren“ (WEIZSÄCKER 1973, S. 107). Beispielsweise wird in der Physik häufig behauptet, alle Körper fielen gleich schnell, obwohl man ständig das Gegenteil erlebt. Physik treiben heißt daher nicht zuletzt, die Dinge zu verändern.Anstatt diese Veränderung im Physikunterricht zu thematisieren und die Einsicht zu vermitteln, daß die Dinge durch die Veränderung in einer Hinsicht ‚besser‘ werden, wird sie nicht selten unterschlagen: Indem physikalische Vorstellungen in der Regel an künstlichen, mit Hilfe von Lehrmitteln produzierten Phänomenen entwickelt werden, die oft nur dazu geschaffen wurden, jene Phänomene hervorzubringen, wird sofort eine veränderte Weit präsentiert. Möchte man jedoch erreichen, daß die Schüler einsehen, welchen Sinn es haben kann, die gewohnten Alltagsvorstellungen zugunsten der wissenschaftlichen Vorstellungen aufzugeben bzw. zu  modifizieren, so muß mit ihnen zumindest an einzelnen Beispielen eine solche Veränderung der Sichtweise erarbeitet und nachgewiesen werden, was man dadurch gewonnen hat. Ein solches Beispiel kann u. E. die Behandlung des Fahrrads bzw. des Fahrradfahrens im Physikunterricht sein.

PDF: Physik des Alltags am Beispiel der Energetik des Fahrrads

Die Wärmekraftmaschine als Modell für das grüne Blatt

Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo. In: A. Scharmann (Hrsg.): Vorträge der Frühjahrstagung der DPG, Gießen 1978, S. 325.

Die Umwandlung von Wärme in Arbeit spielt in zahlreichen für die Energieversorgung des Menschen wichtigen Prozesse (z. B. in der Wärmekraftmaschine, Abk.: WKM) eine ausgezeichnete
Rolle…

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