Was ist Energie!

Re: Was ist Energie!

von McDaniel-77 am 24.12.2012 05:15

Frohe Weihnachten! Schönes Thema!

Reduzieren wir doch, betrachten wir ein einzelnes Wasserstoffatom. Das besteht aus einem Proton und einem Elektron. Hat es Energie? Wenn ja, dann gibt es Strahlung ab. Befindet es sich im Grundzustand, bei der absoluten Temperatur von 0 K, dann dürfte keine Strahlung (Wärme) mehr abgegeben werden.

Kennt jemand den irren Versuch mit dem Suprafluid-Helium?

Suprafluides Helium

Zurück zur Energie:  

- Wärme wird von IR-Photonen übertragen.
- Kinetische Energie ist sowohl absolut, als auch relativ – kommt auf das System an.

Wenn man genau hin sieht, dann ist Energie nach meinem Verständnis das Potential Photonen zu emittieren.

Ich würde Photonen als Teilchen beschreiben, da es Wellen an sich nicht gibt. Alle Wellen, die wir aus unserer makroskopischen Welt kennen, sind Teilchen-Wellen. Eine Schallwelle setzt sich aus bewegter Luft zusammen, eine Wasserwelle besteht aus bewegten Wassermolekülen, eine „Elektromagnetische Welle" ist die Bewegung von Elektronen (Protonen). Wir können keine Photonen ohne Atome sehen, wir sehen nie das Photon, sondern nur die Wirkung. Z.B. misst eine Photodiode einen elektrischen
Strom, wenn sie Licht passender Energie empfängt.

@Norman: Dein Beispiel mit der Wärme gefällt mir, weil Du auf die Resonanz und den absolut freiwilligen Prozess des Wärmeaustauschs anspielst. Wärme hat etwas mit Entropie zu tun, ein Grundprinzip in der Natur.

Die Schwingung (Wärme) verschiedener Stoffe konvergiert auf einen gemeinsamen Wert. Würde man mit einer Wärmebild-Kamera ein heißes Glas Wasser und ein kaltes Glas Wasser betrachten, würde man feststellen, dass beide IR-Strahlung abgeben. Mischt man beide zusammen, gibt auch das kalte Wasser Wärme an das warme Wasser ab, jedoch fällt das nicht ins Gewicht, da das warme Wasser viel mehr Wärme an das kalte Wasser überträgt. Daher sieht es so aus, als würde nur das warme Wasser das kalte wärmen.

@Oli: Zur Masse möchte ich noch etwas sagen. Masse ist Konzept und keine Eigenschaft von Objekten. Wenn man herausfinden möchte, wie viel Masse ein Teilchen besitzt, dann muss das Teilchen ionisiert sein, damit es in einem elektrischen Feld beschleunigt werden kann. Aus der Ablenkung im Magnetfeld, ermittelt man dann die Spezifische Ladung und daraus die scheinbare Masse. Ein Photon hat, so viel wir wissen, keine Ladung und daher auch keine Masse. Die angebliche Masse des Neutrons wird aus der Geschwindigkeit und der Ablenkung der Zerfallsprodukte (Proton + Elektron) im Magnetfeld geschätzt.


MfG


McDaniel-77

Re: Was ist Energie!

von Norman am 26.12.2012 15:07

Hallo McDaniel,

Gut das du die Strahlung in deinem Beispiel als Wärme definierst, so kann ich deine Gedanken nachvollziehen. (Womöglich sind viele Meinungsverschiedenheiten einfach auch nur auf mangelte oder unzureichende Definitionen zurück zuführen.)

Ich stimme deiner Ausführung zu (die Definition von Elektron und Proton lass ich aus, da sie für dieses Beispiel nicht relevant ist.) Um Vorgänge physikalisch beschreiben zu können und präzise Voraussagen machen, kommen wie nicht um den Begriff Energie herum. In der Kausalitätskette von Ursache (Objekt) und Wirkung (Konzept) müssen wir auch das Konzept beschreiben. Hier zeigt sich eine der Stärken der Mathematik, da wir die Wirkung in abstrakte Einheiten unterteilen (auch Zahlen genannt). Nur dadurch ist es möglich präzise vorhersagen zu machen.

Ich wäre dafür, verschiedene mathematische Systeme einzuführen. Wenn ich mir von jemandem 100 Euro leihe, dann kann ich den Schuldbetrag in meinen Kapitalvermögen als Minusbetrag eintragen. Dies ist eine legitime mathematische Beschreibung des Kapitals.

Bei physikalischen Berechnungen tauchen in einigen Theorien auch Minusbeträge auf. In der Physik halte ich das Minus für unmöglich. Jede physikalische Theorie, welche mit negativen Zahlenwerten rechnet, macht meiner Ansicht nach einen schweren Logikfehler. In der Mathematik der Physik, darf kein Ergebnis kleiner sein als Null.

So wie wir nicht mehr Zitronen von einem Baum ernten können, als an ihm hängen, kann es auch keine negative Energie geben. Ein Objekt kann minimal den Wert 0 Energie(Konzept) aufweisen. Dies würde bedeuten, dass wir an diesem keinerlei Veränderungen messen können. Die Wärme eines Objektes beschreibt somit die Bewegungen (im Makrokosmus), welche es ausstrahlt (Strahlung/Konzept).

Wenn Objekte auf andere Objekte einwirken gibt es eine Kettenreaktion. Die mathematische Einteilung der Wirkung (Energie/Konzept) bleibt immer gleich. Das heißt, die Ursachenwirkung (Energie) entspricht genau der Folgewirkung (Energie). Vereinfacht ausgedrückt heißt das, Energie kann nicht mehr werden, aber auch nicht weniger.

Verdammt, es ist schwer das Konzept Energie mit der Umgangssprache zu beschreiben, hierfür ist die Mathematik wirklich die bessere Wahl. Ich hoffe ihr konnte mich bis hierher dennoch folgen.

Wieder zurück zu deinem Atom, da nun das Atom Energie verliert, würde es irgendwann den Wert Null erreichen. Quasi den absoluten Nullpunkt. (Ich persönlich halte dies für nahezu unmöglich). Da Atome über einem von mir empfundenen langen Zeitraum sehr stabil bleiben, schließe ich daraus, dass Atome (Objekt) ihre Energie (Konzept) aufrecht erhalten. Wenn ein Objekt Energie durch Strahlung verliert, dann muss ein Atom auch Energie beziehen in gleichen Maß wie es Energie abgibt, um stabil zu bleiben.

Wie denkt ihr darüber? Wenn ihr ähnlich darüber denkt, woher bezieht ein Atom seine Energie? (Ich habe für mich eine Lösung gefunden, möchte jedoch andere Theorie dazu hören, um diese mit meiner Theorie abzuwiegen. Wenn ich meine Theorie dazu hier preisgäbe, dann würde sie eure Gedanken dazu beeinflussen, und es würde dann nur zu einer Richtig-oder-Falsch Diskussion führen.)

 

Ich lese gerade ein Buch in dem auch die Wärmedynamik behandelt wird, ich habe aber so meine Schwierigkeiten mit dem Begriff Entropie. Daher behandle ich diesen Begriff als ein Synonym für Energie (Konzept), aber vielleicht mach es ja irgendwann bei mir klick.

Um das Thema Wärme hier noch etwas zu vertiefen, möchte ich kurz meine Gedanken zu der sogenannten Vakuumenergie erläutern.

Vakuum ist ein Synonym für Nichts (Raum/Konzept) und kann über keinerlei Energie verfügen.

Bei diesem Experiment wurden zwei kugelförmige Halbschalen aneinander gedrückt, und dann hat man die Luft aus diesen so gut wie es ging hinaus gezogen. Scheinbar ziehen sich nun beide Schalen an einander an.

Heute wissen wir, dass der Druck von außen auf die Schalen einwirkt. Doch was ist Druck? Druck ist nicht gleich die Teilchendichte.

Der Druck setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: A) aus der Teilchendichte und B) der Bewegung der Teilchen.

Nehmen wir die Kugel als Beispiel. Wenn der Druck innerhalb und außerhalb der Kugel gleich ist, dann prallen von beiden Seiten in etwa gleich viele Teilchen mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit (Wärmebewegung) aneinander. Wenn man nun die Teilchendichte im inneren der Kugel verringert, dann drücken mehr Teilchen von außen gegen die Kugelwand. Die Energieeinwirkung von außen ist demzufolge höher, und die Kugel wird zusammen gedrückt.

Da nicht nur die Dichte der Teilchen Druck verursacht, sonder auch deren Bewegung (Wärme) kann man den Druck im inneren der Kugel auch verringern, in dem man den Inhalt der Kugel (ich nehm jetzt Gas, da wir in unserem Beispiel Luft haben) abkühlt.

Wenn man das Gas im inneren erwärm, dann steigt auch die Bewegung der Teilchen an, wodurch die Teilchen stärker gegen die Innenwand treffen. Der Druck im inneren der Kugel erhöht sich.

Gedankenspiel: Angenommen es gäbe den absoluten Nullpunkt. Bei einer hohlen Kugel, welche von einer hohen Teilchendichte umgegeben ist, welche sich aber nicht Bewegen, würde auch nichts gegen die Wand der Kugel drücken. Es gäbe zwar eine Teilchendichte (Objekt), aber keinen Druck da jegliche Bewegung (Konzept) fehlen würde.

Re: Was ist Energie!

von Oli am 26.12.2012 23:52

Hallo Norman,

am absoluten Nullpunkt ist die Energie = 0.

Das gesamte Universum muss einen Energiebetrag größer Null aufweisen (woher diese kommt, ist eine weitere Frage, aber es entspricht unserer Beobachtung), deshalb muss auch jedes Teilchen einen Energiebetrag größer Null aufweisen.

Volle Zustimmung! Taucht in physikalischen Größen ein Minus auf, so bezieht sich das auf die Richtung, ist also nur für vektorielle Größen zulässig. Beschleunigung von - x m/s² bedeutet also eine Beschleunigung von x m/s² in entgegengesetzter Richtung!

Re: Was ist Energie!

von Slim_Jim am 27.12.2012 10:43

noch verrückter wird´s, wenn man sich versucht exergie und anergie zu erklären... nutzbare und nicht mehr nutzbare energie, wie soll das nur gehen? ein bsp dafür ist vllt das phänomen, bei dem frische luft sich leichter aufheizen lässt (deswegen immer schön lüften ;) ). könnte das evtl sein? ich hab kein plan warum das so ist 

entropie kann man sich laut meinem (thermo-)prof nicht vorstellen, da es nur ne mathematische größe für den grad der unordnung ist und anzeigt, dass physikalische prozesse irreversibel sind (ohne erneute energiezufuhr). angenähert werden solche vorgänge mit zustandsgleichungen, wie die isobare, isochore, isotrope, polytrope usw... merkwürdigerweise stimmen die ergebnisse recht gut mit den beobachtungen überein :) . es ist auch interessant welche kräfte alleine durch strömungen entspannter gase (hört sich ja lustig an :) voll die relaxten gase) wirken können. dafür sind vllt kraftwerksprozesse ganz gut um ein verständnis dafür zu bekommen. bei interesse kann ich ja mal ne berechnung hochladen, aber hier geht es eher um die definition oder?

zum absoluten nullpunkt fällt mir noch die bose-einstein-kondensation ein, die beeindruckende quantenphänomene in makroskopischen abmessungen hervorbringt (ab bestimmter kritischer temp.). auf einmal verhalten sich alle bosonen und subatzomaren teilchen gleich, wie ein einziges objekt. erreicht wird dies per laserkühlung. diese laser haben eine freuquenz die der des atoms entspricht, aber phasenversetzt ist, sodass destruktive interferenz die folge ist. durch die verringte oszillation kann man sagen, dass das atom auf milliardstel kelvin runter gekühlt wurde. auch suprafluidität scheint n interessantes gebiet zu sein. gibt schon kuriose materieeigenschaften, die wir wahrscheinlich nie so richtig verstehen werden, sondern nur annähern... aber so lange wir dadurch noch mehr technischen fortschritt bezwecken ist doch alles schick :)

@oli: ist bei dem absoluten nullpunkt die energie nicht ungleich null, nämlich die fermi-energie? oder ist es die nullpunktenergie, die nur durch die unschärferelation vermutet wird? das modell des (quantenmech.) harmonischen oszillator verbietet ja ebenfalls eine energie die gleich null ist... hm... wissen tun wir es nicht, da der absolute nullpunkt nicht erreicht worden ist.

Wer nur so tut als bringe er die Menschen zum Nachdenken, den lieben sie. Wer sie wirklich zum Nachdenken bringt, den hassen sie. - Aldous Huxley

Jeder Fehler erscheint unglaublich dumm, wenn andre ihn begehen. - Georg Christoph Lichtenberg

Re: Was ist Energie!

von Oli am 27.12.2012 13:51

Hallo,

meine Aussage "am absoluten Nullpunkt ist die Energie Null" ist meine intzuitive Kindergarten-Aussage. Ich kann mir nicht vorstellen, wie etwas, das sich nicht bewegt, eine Energie haben kann.

Re: Was ist Energie!

von Slim_Jim am 27.12.2012 14:22

jo, so denke ich ja auch (habe im beitrag nur mein gelerntes wiedergegeben). da verabschiedet sich wohl die logik zugunsten der quantenmechanik ;)

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Re: Was ist Energie!

von Slim_Jim am 03.01.2013 21:40

so, unter weiter geht´s mit den mathematischen spielereien. negative kelvinwerte wurden mit kaliumatomen erreicht! juchu! und das kommt mathematisch gesehen raus, weil die beschreibung dieses ultrakalten gases nur mit der umgekehrten boltzmann-verteilung möglich ist... komisch, und so richtig habe ich in diesem artikel diese aussage nicht verstanden: 

ist es nun eine negative temperatur nach unserem aktuellen modell oder nicht? haben unsere "naturkonstanten" kleine fehler? was ist da los?
bei paradox stimm ich zu :)

hier der link zum artikel von welt der physik: http://www.weltderphysik.de/gebiet/atome/news/2013/atomares-gas-mit-negativer-absoluter-temperatur/

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Re: Was ist Energie!

von Phil am 04.01.2013 01:01

Der "Trick" ist hier erklärt:

Die Bolzmann-Verteilung gibt an wie schnell sich die Moleküle bei einer gegebenen Temperatur T bewegen. Da nie alle Teilchen gleich schnell sind, es aber verdammt viele davon gibt, gibt man die eigentlich diskrete Verteilung als kontinuierliche Funktion an. Ähnliches passiert z.B. wenn man die Weltbevölkerung gegen die Zeit aufträgt, eigentlich wäre es eine Treppenfunktion, aber bei der Masse an Menschen macht das nicht wirklich einen Unterschied, also zieht man die Linie einfach durch.

Diese Verteilung besagt nun für alle bisher bekannten Systeme, dass ein großer Teil der Moleküle immer eine Geschwindigkeit von fast null hat, während nur ein kleiner Teil sich schneller bewegt. Mit dem oben erwähnten Versuch konnte man diese Verteilung umdrehen (siehe Bild auf der Homepage, ich habs zuerst auch nicht kapiert, man muss den Text genau lesen). Es bewegten sich also fast alle Teilchen sehr schnell und nur wenige waren langsam.

Wie ihr richtig Vermutet hat das nichts mit negativer Energie zu tun, sondern alleine mit der mathematischen Definition der Verteilung. Diese erfordert nämlich ihrer Form wegen in diesem Fall einen negativen Exponenten. Das ganze Spiel funktioniert nur, wenn man die Temperatur der statistischen Mechanik betrachtet.

Wenn man stattdessen her geht und die gesamte thermische Energie (Summe der Bewegungsenergie aller Moleküle) durch Masse und Wärmekapazität dividiert, dann erhält man einen positiven Wert - die thermodynamische Temperatur. Warum jemand überhaupt so eine abenteuerliche Definition geschaffen hat, kann ich auf die schnelle nicht beantworten. Aber unter "normalen" Umständen sind die Temperaturen gleich. Nur wenn man bei gleicher thermischer Energie eine andere Geschwindigkeitsverteilung herbeizwingt, sind sie nicht mehr gleich.

Re: Was ist Energie!

von Oli am 04.01.2013 22:22

Langsamer als stillstehend geht halt nicht, alles andere ist mathematische Hütchenspielerei 

Re: Was ist Energie!

von Phil am 05.01.2013 00:11

Naja... ich würde es eher als Nebenwirkung bezeichnen. Immerhin wird hier etwas dort angewendet, wo es eigentlich (meiner Meinung nach) nicht wirklich Aussagekräftig ist, sondern eher zu reißerischen Schlagzeilen verhilft.