Energiebilanz

Die Energiebilanz verknüpft die Energieströme bezüglich eines offenen oder geschlossenen Systems mit der Energieänderungsrate des Inhalts. Der Energieinhalt, die gespeicherte Energie, lässt sich in potentielle, Bewegungs- und innere Energie einteilen. Die Bewegungsenergie kann weiter in kinetische und Rotationsenergie und die potentielle in Gravitations- und elektrische Energie unterteilt werden

[math]\sum_i I_W{_i} = \dot W + \dot W_{kin} + \dot W_{rot}+ \dot W_G + \dot W_E[/math]

Ein geschlossenes System kann Energie zusammen mit der elektrischen Ladung, dem Impuls, dem Drehimpuls oder der Entropie austauschen. Die mittransportierte Energie heisst dann entweder elektrische, mechanische oder thermische Energie. Die beiden letztgenannten Formen nennt man auch Arbeit oder Wärme. Da ein offenes System Materie mit der Umgebung austauscht, führen die schwere Masse, die träge Masse, das Volumen und die Stoffmenge zusätzlich potentielle, kinetische, hydraulische und chemische Energie mit sich.

Seit 1905, seit Einstein die Äquivalenz von Energie und Masse gezeigt hat, darf man - streng wissenschaftlich gesehen - Masse und Energie nicht mehr getrennt bilanzieren. Was hier als eigenständige Bilanz formuliert wird, ist eigentlich nur ein relativistischer "Dreckeffekt" der Massenbilanz.

Mechanik

Die Mechanik beschreibt den Austausch von Impuls und Drehimpuls zwischen Körpern. Dabei wird nur den leitungsartigen Strömen ein Energiestrom zugeordnet. Folglich muss man die Energie, die an ein Gravitations- oder an ein elekrtromagnetisches Feld abgegeben wird, dem Körper selber als potentielle Energie zuschreiben. Der dem Impulsstrom zugeordnete Energiestrom heisst Leistung einer Kraft und der dem Drehimpuls zugeordnete Energie Leistung eines Drehmomentes, falls die Ströme auf ein einen Körper bezogen werden. Integriert man diese Leistungen über die Zeit, erhält man die Arbeit einer Kraft bzw. die Arbeit eines Drehmomentes. Oft bezeichnet man die eigentliche Energiebilanz als Leistungsbilanz und die über die Zeit aufintegrierte Energiebilanz als Arbeits- oder Energiebilanz.

Massenpunkt

Beim Massenpunkt kann die Energiebilanz direkt aus der Impulsbilanz abgeleitet werden. Nimmt man die Impulsbilanz

[math]\sum_i\vec F_i + m\vec g = \dot {\vec p} = m \dot {\vec v}[/math]

und multipliziert diese skalar mit der Geschwindigkeit, erhält man

[math]\sum_i \vec F_i \cdot \vec v = \sum_i P(\vec F_i) = m(\dot {\vec v} \cdot \vec v - \vec g \cdot \vec v) = \dot W_{kin} + \dot W_G[/math]

Eine Integration der Leistungsbilanz über die Zeit liefert die Energiebilanz

[math]\sum_i W(\vec F_i) = \Delta W_{kin} + \Delta W_G[/math]

Die kinetische Energie ist gleich Impuls mal halbe Endgeschwindigkeit

[math]W_{kin} = \vec p \cdot \frac {\vec v}{2} = \frac {m}{2} v^2[/math]

und die Gravitatitionsenergie ist gleich Masse mal Gravitationspotential

[math]W_G = m \varphi_G[/math] mit [math]\varphi_G = \int_{\vec s}^{\vec s_0} \vec g \cdot \vec{ds}[/math]

Oft betrachtet man nur den (oberflächen-)kräftefreien Massenpunkt im homogenen Gravitationsfeld. Dann verschwindet die linke Seite der Energiebilanz und die Summe aus kinetischer und potentieller Energie ist konstant. Daraus folgt die rein kinematische Gleichung

[math]\frac {v_1^2}{2} + g h_1 = \frac {v_2^2}{2} + g h_2[/math]

Bezieht man das Gravitationspotenzial auf einen der beiden Punkte, verschwindet der zugehörige Term φ_G = g h.

Der andere triviale Fall, der an Schulen bis zum Abwinken geübt wird, ist der kräftefreie Massenpunkt im Gravitationsfeld eines Himmelskörpers. Setzt man das Gravitationspotenzial im unendlich fernen Punkt gleich Null, erhält eine Gleichung für die Geschwindigkeit eines Satelliten im Gravitationsfeld des Himmelskörpers

[math]\frac {v_1^2}{2} - G \frac {m_H}{r_1}= \frac {v_2^2}{2} - G \frac {m_H}{r_2}[/math]

G steht für die Gravitationskonstante und r misst den Abstand vom Zentrum des Himmelskörpers.

starrer Körper

Beim starren Körper folgt die Energiebilanz aus der Impulsbilanz und der Drehimpulsbilanz. Nimmt man die Impulsbilanz

[math]\sum_i\vec F_i + m\vec g = \dot {\vec p} = m \dot {\vec v}_{MMP}[/math]

und multipliziert diese mit der Geschwindigkeit des Massenmittelpunktes, erhält man im homogenen Gravitationsfeld

[math]\sum_i \vec F_i \cdot \vec v_{MMP} = m(\dot {\vec v}_{MMP} \cdot \vec v_{MMP} - \vec g \cdot \vec v_{MMP}) = \dot W_{kin} + \dot W_G[/math]

Die Drehimpulsbilanz

[math]\sum_{j} \vec M_j + \sum_{i} (\vec r_i \times \vec F_i) = \dot {\vec L}[/math]

muss nun entsprechend mit dem zugehörigen Potenzial, der Winkelgeschwindigkeit, multipliziert werden

[math]\left(\sum_{j} \vec M_j\right) \cdot \vec \omega + \left(\sum_{i} (\vec r_i \times \vec F_i)\right) \cdot \vec \omega = \dot {\vec L} \cdot \vec \omega = \dot W_{rot}[/math]