Energiestrom und Prozessleistung

Der Begriff Energie ist vom schottischen Physiker William Rankine im Jahr 1852 eingeführt worden. Das Wort Energie leitet sich aus dem Griechischen ab (ἐν = in, innen und ἔργον = Werk, Wirken). Vor der Entdeckung des ersten Hauptsatzes der Wärmelehre, der die Energiebilanz bezüglich eines homogenen Systems beschreibt, kannte man die Energie nur in der Mechanik. Deshalb nannte man sie auch "lebendige Kraft" und sprach von der "Erhaltung der Kraft". 1905 hat Albert Einstein die Energie als eigenständige Grösse wieder abgeschafft, indem er zeigte, dass Energie und Masse äquivalent sind. Energie ist Masse. Die Energie selber macht die Körper schwer und träge. Masse kann demnach auch nicht in Energie umgewandelt werden, weil Masse schon Energie ist.

Trotz der von Einstein gefundenen Gleichwertigkeit von Energie und Masse tun wir auch heute noch so, wie wenn die Energie eine eigenständige Grösse wäre. Dies ist auch ein Stück weit möglich und sinnvoll. Nur sollte man sich immer bewusst sein, dass dem so verwendeten Energiebegriff enge Grenzen gesetzt sind.

Die Physik der dynamischen Systeme weist der Energie eine klare Rolle zu, die sich über alle Zweige der klassischen Physik erstreckt. Energie kann von einer zweiten Grösse transportiert und zusammen mit dieser gespeichert werden. Die pro Zeit mittransportierte Energie nennt man dann zugeordneter Energiestrom. Energie kann aber auch in einem Prozess von einem Energieträger auf einen andern umgeladen werden. Dabei setzt der erste Trägerstrom eine Prozessleistung frei und der zweite nimmt sie auf.

In dieser Vorlesung lernen Sie den zugeordneten Energiestrom und die Prozessleistung am Beispiel des Massen- und Volumenstromes kennen. Prägen Sie sich diese Grundstrukturen ein, denn diese tauchen immer wieder auf.

Druck als Energiebeladungsmass

Eine unter Druck stehende Flüssigkeit wirkt allseits mit einer Kraft auf die Gefässwand ein. Schneidet man in Gedanken ein Stück aus der Gefässwand aus, ist diese Kraft gleich Fläche mal Druck. Nun ist, wie Sie vielleicht schon gehört haben, eine Kraft eine Impulsstromstärke bezüglich eines Körpers. Der Druck darf deshalb als Impulsstromstärke pro Querschnittfläche bezeichnet werden. Der Druck ist also eine Impulsstromdichte. Leider ist der Sachverhalt etwas komplexer. In ruhenden Flüssigkeiten und Gasen beschreibt der Druck eine dreifache Impulsstromdichte. In diesen Medien fliesst jede der drei Impulskomponenten mit gleicher Stärke in die eigene Bezugsrichtung. In bewegten Fluiden und festen Körpern können dagegeen alle drei Komponente des Impulses in alle drei Richtungen transportiert werden. Folglich benötigt man neun Zahlen, um den Impulstransport an einem bestimmten Punkt eines Körpers zu beschreiben. Die Fachleute bezeichnen die (negaitve) Impulsstromdichte auch als Spannungstensor. Mehr dazu im Teil Translationsmechanik.

In der Hydro- und Thermodynamik erscheint der Druck als Potenzial. Der Druck ist das Energiebeladungsmass der Volumenstromes: je höher der Druck in einer Flüssigkeit oder einem Gas, desto mehr Energie wird vom Fluidum mitgenommen. Diese Bedeutung des Drucks ist viel einfacher zu verstehen als der Zusammenhang mit Kraft und Impuls. Als betrachten wir den Druck vorerst nur als Energiebeladungsmass oder hydrodynamisches Potenzial.

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