Alles strömt!? Systemisches Denken erübt an Strömen unterschiedlicher physikalischer Größen

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1 Dieter Plappert 1 Alles strömt!? ergänzt im März 2002 überarbeitet im Dezember 2002 Physikalisch-didaktisches Kolloquium 10. Mai 2001 Alles strömt!? Systemisches Denken erübt an Strömen unterschiedlicher physikalischer Größen 0. Einleitung Als Kind sah ich im Schaufenster einer Apotheke den abgebildeten Wasserhahn: er schwebte in der Luft, es strömte ohne Zufluss dauernd Wasser aus ihm heraus, das abflusslose Glas lief nie über, obwohl das Wasser dauernd hinein floss. Das kann doch nicht sein! Am meisten bewegten mich die folgenden zwei Fragen : Wie kommt das Wasser in den Hahn? Warum läuft das Glas nicht über? Diese Art der Fragestellung zeigt, dass ich von der Erhaltungseigenschaft von Wasser überzeugt war. Aber wieso war ich überhaupt davon überzeugt, dass Wasser strömt? Das Wasser können wir doch genaugenommen gar nicht strömen sehen. Das ist auch in den folgenden drei Beispielen so: Wir sehen nichts strömen: Eine Lampe leuchtet Eine Kerze brennt Ein Apfel hängt am Baum In dem heutigen Vortrag soll zunächst präzisiert werden, was wir unter Strömen verstehen wollen. Dabei soll exemplarisch gezeigt werden, wie mit geschlossenen Stromkreisen systemisches Denken erübt werden kann. Anschließend werden wir die oben dargestellten Beispiele genauer untersuchen, um eine gemeinsame Grundlage zu haben, um eine dynamische Beschreibung von Naturvorgängen mit einer statischen vergleichen zu können.

2 Dieter Plappert 2 Alles strömt!? 1. Was heißt strömen? Im Alltag sprechen wir von den verschiedensten Strömen, wie etwa von Luft-, Wasser-, Licht-, Geld-, Auto-, Menschen-, Informations-,...strömen, ohne dass uns bewusst ist, worauf es beim Strömen eigentlich ankommt. Wie verschwommen der umgangssprachliche Strombegriff ist, zeigen die folgenden beiden Abbildungen. Kann Strom verschwendet werden? Strömt hier der Strom selbst? Kann Strom irgendwo drauf sein, z.b. auf einem Weidezaun? Kann Strom verschwendet werden? Ist hier irgendwo Strom drauf? Was heißt strömen? Der alltagssprachliche Strömungsbegriff hat mindestens zwei Wurzeln: Betrachten wir die abgebildeten Schüler: : Ein Strom liegt hier also vor, wenn sich viele Dinge bewegen und denselben Weg nehmen.

3 Dieter Plappert 3 Alles strömt!? Diese Bedeutung von Strom wenden wir im Alltag für solche Ströme an, bei denen das Strömende quantisiert ist, wie etwa bei Menschen- oder Autoströmen. Bei anderen Strömen, wie etwa bei Wasser- und Luftströmen, gehen wir im Alltag anders vor: strömt Wasser aus einem Wasserhahn denken wir das Wasser nicht in Wassertropfen bzw. Wassermoleküle portioniert, sondern wir betrachten das Wasser als eine Art Kontinuum. Dieses ist die zweite Wurzel des alltagssprachlichen Strömungsbegriffs. Diese wollen wir im weitern verfolgen.. Betrachten wir den folgenden Versuchsaufbau: Zwei Gefäße mit angefärbtem Wasser, in denen das Wasser unterschiedlich hoch steht, sind durch einen Schlauch miteinander verbunden. Öffnen wir den Hahn, so sehen wir das Wasser nicht strömen, wir sehen aber, dass der Wasserspiegel in dem einen Gefäß steigt, während er in dem anderen sinkt. Daraus schließen wir: Wasser strömt durch den Verbindungsschlauch von dem einen Gefäß in das andere. Da wir intuitiv von der Erhaltungseigenschaft des Wassers ausgehen, sagen wir: die Wassermenge W, um die die Wassermenge W in dem schmalen Gefäß pro Zeiteinheit zugenommen hat, ist durch den Schlauch in das Gefäß hineingeströmt; als Stromstärke I W definieren wir: W = I t W. Eine Gleichung dieser Art nennt man Kontinuitätsgleichung. Da der Wasserschlauch von Anfang an mit Wasser gefüllt ist und Wasser inkompressibel ist, können wir sagen: die Stärke des Wasserstroms I W ist an jeder Stelle gleich. Der Name Stromstärke für I W ist etwas unglücklich gewählt, da er im alltäglichen Sprachgebrauch Assoziation wie Kraft bzw. Geschwindigkeit weckt; die Kontinuitätseigenschaft des Wassers gerät dabei leicht in den Hintergrund. Deshalb ist es sinnvoll diese Begriffe im Unterricht gegeneinander abzugrenzen, z.b. durch das abgebildete Beispiel: Die Wasserstromstärke I W ist an den Stellen A bis D gleich, die Geschwindigkeit und damit die Kraft des Wassers ist sicher an der Stelle C am größten. Durch den Zufluss wird die Wasserstromstärke jedoch flussabwärts größer. Die Stromstärke I X ist ein Maß dafür, wieviel X in einer Zeiteinheit t durch eine bestimmte Fläche hindurch strömt. Allgemein gilt: X = I X. t

4 Dieter Plappert 4 Alles strömt!? Wasserrad mit Gabellichtschranke Die Gabellichtschranke ist an einem Zähler angeschlossen Ein Wasserstromstärkemesser Um die Stärke eines Wasserstroms, der durch eine Leitung hindurch fließt, zu messen, ist die Gleichung W/ t = I W sehr unpraktisch. Bauen wir ein Wasserrad in die Leitung ein, so erhalten wir ein Stromstärkemessgerät, bei dem die Drehzahl proportional zu der Wasserstromstärke ist. Haben wir das Rad mit Hilfe der obigen Gleichung geeicht, so können wir die momentane Wasserstromstärke recht einfach ablesen. Solche Geräte werden auch in der Industrie verwendet. Fassen wir unseren momentanen Erkenntnisstand zusammen: Nimmt in einem System A die Menge eines Stoffes X, den wir als Kontinuum betrachten und für den wir eine Erhaltung annehmen, in einer Zeiteinheit t um den Wert X zu, so sagen wir, in das System ist ein Strom der Stärke I X hinein geströmt und es gilt die Kontinuitätsgleichung X = t I X. 2. Wasserstromkreise Mit Wasserströmen können wir modellhaft viele Eigenschaften von Strömen untersuchen. Dabei ist es wichtig, reale Experimente durchzuführen. Meine Erfahrungen haben gezeigt, dass es selbst dann noch schwierig genug ist, bei den Schülerinnen und Schülern stabile Stromkonzepte zu bilden. Werden die entsprechenden Analogien, z.b. in der Elektrizitätslehre, nur erzählend an Zeichnungen entwickelt, so kann auch gleich auf das Erwähnen der Analogie vollständig verzichtet werden. 2.1 Die Druckdifferenz als Antrieb Intuitiv ist für alle Schülerinnen und Schülern klar, dass das Wasser solange es eine Druckdifferenz p gibt, strömt. Das Problem ist nur, hängt der Wasserdruck von der Wasserhöhe oder vom Wasservolumen ab. Selbst Oberstufenschüler sind hier unsicher. Der Versuch zeigt, dass die Höhendifferenz h ein Maß für die den Wasserstrom antreibende Druckdifferenz p ist.

5 Dieter Plappert 5 Alles strömt!? Kommunizierende Röhren zeigen, dass der Druck in einer Wassersäule, nicht von der Wassermenge also nicht von der Form des Gefäßes, sondern nur von der Wasserhöhe, bzw. tiefe abhängt. Dies kann auch mit einem digitalen Druckmesser demonstriert werden. Die Maßeinheit des Drucks, die noch im täglichen Leben gebräuchlich ist 1 bar. (1 bar = Pa und 1 mbar = 1 hpa.) 10 m Wassersäule bewirken etwa 1 bar, 10 cm etwa 1 kpa. Manometer und Barometer sind Druckmesser Der geschlossene Wasserstromkreis In den zuvor beschriebenen Versuchsaufbau zum Wasserstrom wird nun eine zweite Leitung mit Pumpe als Rückleitung eingebaut. Es entsteht ein Stromkreis. Die Flüssigkeitsspiegel in den beiden Gefäßen ändern sich so lange, bis sich ein stabiles Strömungsgleichgewicht einstellt. Dann ist die Wasserstromstärke in Hin- und Rückleitung gleich groß Der Modellstromkreis Die Schülerinnen und Schüler haben keine Alltagserfahrungen mit geschlossenen Stromkreisen, in denen etwas Inkompressibles strömt. Solche Erfahrungen können mit einem Modellstromkreis (Bezugsquelle siehe Anhang) gemacht werden: Der unverzweigte Stromkreis Die Manometer und die Hähne 1 und 2 sind geschlossen. Bevor die Pumpe in Betrieb gesetzt wird, wird mit den Schülern darüber diskutiert, in welcher Reihenfolge die Stromstärkemesser sich zu drehen beginnen. Es zeigt sich, dass trotz der Vorversuche viele Schülerinnen und Schüler keine stabile Kontinuitätsvorstellung gebildet haben. Der Stromkreis reagiert als Ganzheit Im unverzweigten Stromkreis bleiben die Manometer weiterhin geschlossen. Mit der Hand bzw. mit einer kleinen Schraubzwinge wird der Schlauch an irgendeiner Stelle zusammendrücken. Überall im Stromkreis nimmt die Stärke des Wasserstroms ab. Das Wasser staut sich nicht nur an einer Stelle. Der Stromkreis reagiert auf lokale Störungen als Ganzheit. Auch beginnt nach Einschalten der Pumpe das Wasser im ganzen Stromkreis gleichzeitig zu strömen. Der verzweigte Stromkreis Die Manometer sind weiterhin geschlossen, die Hähne 1 bis 4 zunächst in offener Stellung. Die Knotenregel kann formuliert werden. Durch die Stellung der Hähne kann die Aufteilung des Wasserstroms in den beiden Zweigen variiert werden.

6 Dieter Plappert 6 Alles strömt!? Quantitative Versuche Die zuvor beschriebenen Versuche sind in erster Linie als qualitative Versuche gedacht. Quantitative Messungen können in gewissen Grenzen mit dem zuvor beschriebenen Wasserstromstärkemesser und einem p-messgerät (z.b. Cassy) durchgeführt werden. Es würde den Rahmen dieses Vortrags sprengen, auf weitere modellhafte Eigenschaften von Wasserströmungen einzugehen. Es können sehr weitreichende Analogien gefunden werden, wenn der Vergleich der Ströme auf einer soliden physikalischen Grundlage aufgebaut wird. Dies wurde in [1] genauer beschrieben. Wichtig für das Folgende ist: Stromkreise reagieren als Ganzheit ( Kontinuitätseigenschaft ) und die Differenz des Drucks treibt den Wasserstrom an ( Strom-Antrieb-Konzept ). Messung der Druckdifferenz p zwischen zwei Stellen des Stromkreises mithilfe von Cassy An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das systemische Denken an Stromkreisen nur erlernt werden kann, wenn von der Kontinuitätsvorstellung, der 2. Wurzel des alltagssprachlichen Strombegriffs, ausgegangen wird. Viele Schulbücher gehen zwar bei der Einführung des Stromkreises genau so vor, betrachten dann aber im Weiteren statt der elektrischen Ströme die Ströme von Ladungsträgern ( meist Elektronen). Die Phänomene der Elektrizitätslehre werden dann mit mechanischen Teilchenvorstellungen beschrieben, die der ersten Wurzel des alltagssprachlichen Strömbegriffs entsprechen. Statt systemisches Denken wird dann punktuelles Denken praktiziert. 3. Die Untersuchung einer brennenden Kerze Betrachten wir das Beispiel der brennenden Kerze, so bemerken wir, dass der bisher gebildete Strömungsbegriff noch zu eingeschränkt ist: Verfolgen wir zunächst einzelne Ströme: Festes Wachs wird flüssig, steigt durch Kapillarität im Docht empor, verdampft oben, verläßt den Docht und reagiert chemisch mit dem aus der Luft hinzu strömenden Sauerstoff. Bei der chemischen Reaktion verschwinden Sauerstoff und Wachs, dafür entstehen Wasserdampf und Kohlensäuregas (CO 2 ). Wir sehen, es ist auch sinnvoll von Strömen zu sprechen, für die es keine allgemeine Erhaltungseigenschaft gibt. Die Kontinuitätsgleichung wird dann einfach um eine Quellstärke Q X erweitert, die angibt, wie groß die Menge X ist, die in der Zeiteinheit t erzeugt wird. Die Kontinuitätsgleichung erhält dann die folgende Form:

7 Dieter Plappert 7 Alles strömt!? X = I X + Q t X. Für den Fall, dass das Wachs in der Flamme vollständig verbrennt, nimmt die Wachsmenge in der Flamme nicht zu, d.h. X = 0, obwohl dauernd ein Wachsstrom in die Flamme hinein strömt. Dann gilt aber I X = -Q X. Das negative Vorzeichen der Produktionsrate zeigt an, dass hier das Wachs verschwindet. Für das Kohlensäuregas und den Wasserdampf hat die Produktionsrate ein positives Vorzeichen, da sie in der Flamme erzeugt werden. Durch das Betrachten der Stoffströme der Kerzen treten leicht Fragen folgender Art auf: wo kommt eigentlich der Sauerstoff her, der hier in der Kerzenflamme verschwindet? Was passiert mit dem CO 2, das hier gebildet wird. Wo kommt das Wachs eigentlich her? Durch solche oder ähnliche Fragen, die dieser Betrachtungsart naheliegen, wird das einzelne Beispiel in einen globalen Zusammenhang gestellt. Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt des Netzwerks, das die an der Verbrennung von Wachs in einer Kerzenflamme beteiligten Stoffströme darstellen. Dabei taucht unweigerlich eine andere Art Strömung auf, die mit Licht und Wärme verbunden ist. Diese soll im nächsten Abschnitt untersucht werden. 4. Die Betrachtung eines Dampfkraftwerkes Die Abbildung zeigt das Modell eines Dampfkraftwerkes: Ein Hammerwerk, das für eine Fabrik steht, soll angetrieben werden. In unserem Versuchsaufbau wird es von einem Motor, der Motor von einem Dynamo, der Dynamo von einer Dampfmaschine und die Dampfmaschine von einem Gasbrenner angetrieben. Das Hammerwerk braucht etwas, was es antreibt. Dieses etwas bekommt das Hammerwerk vom Motor, dieser vom Dynamo, dieser von der Dampfmaschine und diese vom Gasbrenner. Wird das Hammerwerk im Versuch abgebremst, so wird auch die Bewegung der Dampfmaschine verlangsamt. Um die ursprüngliche Drehgeschwindigkeit wieder zu erhalten, muss der Gasbrenner stärker aufgedreht werden; das abgebremste Hammerwerk braucht mehr von dem etwas, der Gasbrenner muss stärker aufgedreht werden, damit er mehr von dem etwas liefern kann.

8 Dieter Plappert 8 Alles strömt!? Dieses etwas, was hier übertragen wird, was hier strömt, ist kein Stoff im materiellen Sinne. Das, was hier strömt nannte man früher Kraft, was heute noch an Kraftwerk und Kraftfahrzeug zu erkennen ist; heute wird dieses etwas Energie genannt. Energie ist also auch etwas, was strömen kann. Alle Erfahrungen der Physiker haben gezeigt, dass Energie nicht aus dem Nichts erschaffen werden oder sich nicht in Nichts auflösen kann, sondern dass die Energie immer irgendwo herkommt und immer irgendwo hingeht. Der auf diese Weise eingeführte Energiebegriff behandelt die physikalische Größe Energie also wie etwas, was strömen kann, für das es eine Kontinuitätsgleichung mit der Quellstärke Q E = 0 gibt: E IE P t = =. Der Quotient E/ t = I E bekommt somit die Bedeutung einer Energiestromstärke. Ihre Maßeinheit ist demnach 1 J/s, das durch 1 W abgekürzt wird. Durch diese Betrachtung wird deutlich, dass die unanschauliche physikalische Größe Leistung P die anschauliche Bedeutung einer Energiestromstärke hat. Wir haben unseren Strömungsbegriff weiter verallgemeinert: statt Stoffe strömen nun physikalische Größen. Dies entspricht der geschichtlichen Entwicklung der Physik. Die physikalische Beschreibung der Natur hat sich immer mehr von stofflichen Vorstellungen weg zu einer mehr mathematischen Beschreibungen entwickelt: Statt der Stoffvorstellungen wurden geeignete physikalische Größen entwickelt, deren Zusammenhang untersucht und mathematisch beschrieben werden. Solche Größen sind z.b. die Energie E, die elektr. Ladung Q, das elektrische Potential ϕ, der Impuls p, die Geschwindigkeit v, die Stoffmenge n, das chemische Potential µ, die Temperatur T,... Mit manchen dieser Größen können wir umgehen wie mit einem Stoff. Wir können sagen, in einem bestimmten Raumbereich befindet sich eine bestimmte Menge E- nergie, Impuls, elektrische Ladung,...Dies geht für solche Größen, für die eine Raumdichte ρ gebildet werden kann, wie etwa für die Energie ρ E = E/V, für die elektrische Ladung ρ Q = Q/V,... Für die Temperatur ist es sinnlos eine solche Dichte zu bilden, da der Quotient T/V je nach Wert von V einen neuen Wert annimmt. Für alle Größen, für die es solche Dichten gibt, können Kontinuitätsgleichungen gebildet werden. Für sie ist es sinnvoll, von einem Strom zu sprechen. Mit diesen Größen kann umgegangen werden wie mit einem Stoff bzw. einem Fluidum Diese Größen werden in der Physik extensive bzw. mengenartige Größen genannt.. Betrachten wir den oben beschriebenen Versuch noch einmal, so stellen wir einerseits fest, dass die Energie von der Dampfmaschine bis zum Hammerwerk hindurch strömt, dass sie aber unterwegs von unterschiedlichen Energieträgern transportiert wird (hier:... Propangas-Sauerstoff, Dampf, Treibriemen, Elektrizität; Treibriemen,... ) ( Energie-Träger-Konzept ) In Gasbrenner, Dampfmaschine, Dynamo, Motor und Hammerwerk wechselt die Energie ihren Träger. Diese Stationen bekommen die Bedeutung von Energie- Umlade-Stationen; wir wollen sie im weiteren kurz Energieumlader nennen. Durch diese und ähnliche Überlegungen, können wir die Begriffe Energie und Energieträger gebildet und gegeneinander abgegrenzt werden. Die Energieträger

9 Dieter Plappert 9 Alles strömt!? strömen zusammen mit der Energie, sie sind die extensiven Größen, die aufgrund der Gibbschen Fundamentalform, jede Energieänderung eines Systems begleiten: de = TdS + ϕdq +vdp + µdn + Auf die Bedeutung und Erklärung dieser Gleichung soll hier nicht eingegangen werden. Statt dessen sei auf die Lehrbücher der Thermodynamik verwiesen. Dieses Energie-Träger-Konzept kann im Unterricht auf vielfältige Weise eingeführt werden. So auch mit dem Bausatz Energiewerke, der mit meinen Referendarinnen und Referendaren zusammen entstanden ist. Unser Ziel war es, den Energiebegriff handlungsorientiert mit preiswerten Schülerübungsmaterialien einzuführen. Der Bausatz besteht aus einem Lüfter, einer Leuchtdiode, einer monokristallinen Solarzelle und einem Thermoelement und kostet z.zt. im Praktikumset nur 12. Ein Lüfter soll angetrieben werden. Das kann auf unterschiedliche Weise geschehen: Dieser Lüfter soll angetrieben werden......mit einer Batterie...mit dem Licht einer Lampe...mit der Wärme eines Feuerzeugs Zum Betrieb braucht der Lüfter etwas. Das nennen wir Energie... Mit den Energiewerken können wir ganze Ketten bilden. Die Energie strömt immer von einer Station zur nächsten, was sich ändert ist nur die Art, wie der Energietransport stattfindet: durch Kabel, durch eine sich bewegende Kette, durch eine rotierende Welle,... Die verschiedenen Arten des Energietransports werden wir später noch genauer betrachten. Oft werden die Begriffe Energie und Energieträger...mit dem Wind eines Föns von den Schülerinnen und Schülern nicht differenziert: In einer Lampe wird Strom in Licht umgewandelt. In einem neuerschienenen Physikbuch ist der folgende Satz zu finden. Nur Lichtenergie benötigt keinen materiellen Träger, denn die Photonen sind ja reine Energie. Durch den neuentwickelten Energieträger-Stromkreis kann dieser Unterschied eindrucksvoll demonstriert werden: Energie kommt am Propeller an, sie wird mithilfe von Wasser und Elektrizität von der Pumpe dort hin transportiert. Das Wasser nimmt einen anderen Weg als die Energieträger-Stromkreis Energie: es strömt im Kreis. In der Pumpe wird es immer von neuem mit Energie beladen; die es in der Turbine wieder abgibt.

10 Dieter Plappert 10 Alles strömt!? Dass nicht genau so viel Energie am Propeller ankommt, wie von der Wasserpumpe aufgenommen wird, ist deutlich zu hören: die Pumpe ist laut, der Propeller dreht sich kaum hörbar. Geht Energie unterwegs verloren? Von dieser Leitfrage ausgehend, kann im Unterricht der Begriff Wirkungsgrad eingeführt werden. Die Möglichkeit der Verbesserung des Wirkungsgrades unserer Modelldampfmaschine durch das Anschließen eines Kondensators (siehe Anhang), kann mithilfe des Energieträgers Entropie verstanden werden. Dasselbe können wir auch mit dem thermischen Energiewerk erreichen: Der Lüfter dreht sich, wenn wir einen Eiswürfel an das Thermoelement halten. Alle Untersuchungen zeigen aber: Nur mit heiß und kalt, geht s halt, so das Moto, das wir in unserem Kurs geprägt haben. Dies kann jedoch aus Zeitgründen an dieser Stellen nicht weiter ausgeführt werden. Am Beispiel der Energie haben wir gezeigt, wie der Strömungsbegriff in der Physik losgelöst von einer substanziellen Strömung verallgemeinert werden kann zu einem Strom einer mengenartigen physikalischen Größe. 5. Elektrizitäts-, Impuls- und Drehimpulsstrom Aus Zeitgründen kann das folgende nur angedeutet werden; es soll aber zeigen, wie weitreichend dieser Strombegriff sein kann. Betrachten wir zunächst noch einmal unsere Lampe, die an der Batterie angeschlossen ist. Lampe und Batterie sind durch zwei Kabel miteinander verbunden. Die Energie strömt von der Batterie zur Lampe mit dem Träger Elektrizität bzw. elektr. Ladung. In der Lampe wird die Energie von der Elektrizität ab- und z.t. auf den gewünschten Energieträger Licht umgeladen. Was passiert mit der Elektrizität in der Lampe? Die Elektrizität strömt zur Batterie zurück; dort wird sie von neuem mit Energie beladen. In die Lampe fließt also genauso viel Elektrizität hinein wie heraus. Der elektrische Strom fließt durch die Lampe hindurch; es ist als falsch zu sagen: in der Lampe wird Strom verbraucht. Durch unseren Energieträger-Stromkreis wird deutlich, wie zwei verschiedene Stromkreise miteinander gekoppelt sind und auch warum bei der Elektrizität für einen dauerhaften Energietransport zwei Leitungen benötigt werden: die Elektrizität ist eine Art Pfandflaschen-Energieträger. Im Gegensatz dazu ist Licht ein typischer Einwegflaschen-Energieträger ; es wird in der Sonne erzeugt und in der Pflanze bei der Photosynthese vernichtet.

11 Dieter Plappert 11 Alles strömt!? Betrachten wir nun die folgende Station unserer Kette von Energiewerken: Der Motor treibt über eine Kette den Dynamo an. Die Energie strömt wie wir gesehen haben durch diese Station hindurch. Welche physikalische Größe spielt hier die Rolle des Energieträgers? In einem propädeutischen Unterricht wird man vielleicht sagen, dies sei die Kette. Eine genauere Betrachtung ergibt das folgende: Auf die untere, durchhängende Kette können wir im Prinzip verzichten: wickeln wir auf die Welle des Dynamos einen langen Faden auf kann mithilfe des bewegten gespannten Fadens einige Zeit lang Energie vom Motor zum Dynamo strömen. Liegt hier ein Einweg-Energieträger vor oder gibt es wie beim Fahrrad auch hier noch eine zweite versteckte Leitung? Das Bild zeigt, dass diese Station des Energietransports nur dann zuverlässig funktioniert, wenn Motor und Dynamo außer der Kette noch mit durch eine Stange (Schweißdraht) miteinander verbunden sind. Im Demonstrationsversuch kann dasselbe auf die folgende Weise gezeigt werden: Isolieren wir Motor und Dynamo von der Erde, indem wir sie auf reibungsfreie Wagen bauen, so stellen wir fest, dass wir zur E- nergieübertragung eine zweite gedrückte Leitung brauchen. Es liegt hier also auch ein Pfandflaschen-Energieträger vor. Sind beide Umlader auf der Erde befestigt, so spielt die Erde die Rückleitung. Der Energieträger hier ist die mengenartige Größe Impuls p. Die Gleichung Energietransport beim Kettenantrieb Die untere gedrückte Verbindung ist die zweite Impulsleitung p IP F t = = kann dann als Kontinuitätsgleichung aufgefasst werden. Hierbei wird dann deutlich, dass Kraft und die Stärke eines Impulsstromes Synonyme sind. Um die Eigenschaften des Impulses p genauer zu untersuchten, erden Beispiele untersucht, bei denen zwar Impuls in einen Körper hineinfließt, aus dem aber wegen fehlender Rückleitung kein Impuls herausströmt, so dass sich der Impuls in dem Körper anhäuft. Darauf an dieser Stelle näher einzugehen, würde den vorgegebenen Rahmen sprengen. Es sei jedoch darauf hingewiesenen, dass ein auf quantisierten Strömen aufgebauter Strömungsbegriff es zumindest sehr erschwert, Impulsströme durch gespannte bzw. gedrückte Leitungen zu verstehen.

12 Dieter Plappert 12 Alles strömt!? Und nun zum letzten Beispiel: Mit welchem Welcher Energieträger strömt die Energie durch rotierende Wellen? Diese Frage wollen wir hier auf die folgende Weise untersuchen: eine Spieluhr soll ein Lied erklingen lassen; dazu benötigt sie Energie. Drehe ich an der Kurbel, so strömt die Energie von meinen Muskeln zur Uhr. Betreiben wir die Spieluhr mit einem Elektromotor, so können wir die Energieübertragung genauer studieren. Verbinden wir Motor und Spieluhr mit einer Welle. Wie heißt der Energieträger, der die Energie zur Spieluhr transportiert? Ist es ein Einweg-Energieträger? Der Versuch macht deutlich, dass auch hier zwei Verbindungen benötigt werden, dass also ein Stromkreis vorliegt. Genauere Betrachtungen würden zeigen, dass hier die physikalische Größe Drehimpuls die Rolle des Energieträgers übernimmt. Energieübertragung mit rotierenden Wellen Der Drehimpuls ist ein Pfandflaschen-Energieträger! 6. Schlussbetrachtungen Alles strömt!? Physikalische Beschreibungen sind nicht zwingend vorgegeben. Sie spiegeln häufig den Zeitgeist wieder, in dem sie entstanden sind. Blicken wir durch eine newtonsche Brille, über 300 Jahre in die Vergangenheit versetzt, so erkennen wir: Der Apfel fällt nicht, weil ein Gleichgewicht herrscht, ein Gleichgewicht von der Gravitationskraft der Erde, die auf den Apfel wirkt und meiner Haltekraft. Lasse ich los, so wird das Gleichgewicht gestört, der Apfel wird von der Gewichtskraft beschleunigt. Blicken wir nun durch eine Brille, die die Impulserhaltung und den farradayschen Feldbegriff ernst nimmt, so erkennen wir: es fließt Impuls von der Erde durch das Gravitationsfeld in den Apfel hinein. Da ich ihn festhalte fließt er aus dem Stiel in meine Hand und durch mich hindurch in die Erde zurück. Der Impulsstromkreis ist geschlossen. Lasse ich den Apfel los, so fließt weiterhin Impuls in dem Apfel, da aber die Rückleitung unterbrochen ist, häuft sich der Impuls im Apfel an, der Impuls des Apfels wird größer, er wird schneller.

13 Dieter Plappert 13 Alles strömt!? Blicken wir auf unsere Kerze zurück: durch unsere Betrachtungen wurde sie Teil des Ganzen, es wurden globale Verbindungen sichtbar. Solche globalen Netzwerke beginnt man erst langsam zu verstehen. Die Abbildung zeigt Stoffströme, die an dem Aufbau unserer Atmosphäre beteiligt sind. Wir hätten auch fragen können, wie wir als Menschen, z.b. durch unsere Ernährung, in die verschiedenen globalen Netzwerke eingebunden sind. Durch diese und ähnliche Betrachtungen wird unser Denken, Fühlen und Handeln vielleicht ganzheitlicher. Vielleicht kann eine solche Art der physikalischen Beschreibung helfen, dass in Zukunft die vielen Probleme, die durch punktuelles Denken entstanden sind, vermieden werden. Exemplarisch sind hier zwei solcher Beispiele genannt, die in der letzten Zeit durch die Medien gingen: Obwohl der Brennstoffkreislauf nicht wirklich geschlossen war, wurde begonnen Atommüll zu erzeugen Obwohl unser Kopf zwar weiß, welche Auswirkung die Produktion von Treibhausgase hat, eine Veränderung unseres Handels nur sehr schwer zu erreichen

14 Dieter Plappert 14 Alles strömt!? Und hier: wird in der abgebildeten Werbeanzeige nicht ein Denken propagiert, das an den in der Luft schwebenden Wasserhahn erinnert, bei dem dauernd Wasser herauskommt, ohne dass es zufließen muss? Ist das System wirklich so umweltfreundlich? Die Probleme sind doch nur verlagert! Diese Anzeige reizte mich ein Geist - E- nergiewerk zu bauen: Konzentriere ich mich, so kann ich den abgebildeten Lüfter mit meinem Zauberstab antreiben. So gelingt es rein geistige Energie in physische Energie umzuwandeln. Sie glauben mir nicht? Sie suchen eine Energiequelle? Die Antwort finden Sie unter Der Zauberstab treibt den Lüfter an!?

15 Dieter Plappert 15 Alles strömt!? Und noch ein Allerletztes: Betrachten wir noch einmal die Flamme der Kerze: Alles strömt!? Die Gase strömen durch die Flamme hindurch, verschwinden und werden neu gebildet, alles in Bewegung und Veränderung? Alles? Nein, die Flamme und ihre Form bleibt erhalten. Es gibt also doch ein Festes im Flüchtigen. Und so will ich diesen Vortrag mit den Worten von Heraklit aus Ephesos beenden: panta rhei Wir steigen in denselben Fluss und doch nicht in denselben; wir sind es, und wir sind es nicht. Quellenangaben und Bezugsquellen unter [1]

16 Dieter Plappert 16 Alles strömt!? Anhang: Der Wirkungsgrad von Energieumladern Betrachten wir die Energieübertragung bei unserer Modelldampfmaschine, so wird deutlich, dass nur ein Bruchteil der beim Verbrennen des Gases freigesetzten Energie am Hammerwerk ankommt; beim Umladen geht immer ein Teil der eingesetzten Energie verloren, d.h. wird auf einen oder mehrere unerwünschte Energieträger umgeladen. Der Wirkungsgrad eines Energieumladers ist ein Maß dafür, wie gut das Energieumladen gelingt. Er gibt den Bruchteil der eingesetzten Energie an, der auf den gewünschten Energieträger umgeladen wird. Historisch war es ein brennendes Problem, wie der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen verbessert werden kann. James Watt hatte hierfür eine durchschlagende Idee: er erfand den Kondensator. Die Modelldampfmaschine mit Kondensator Die Wirkungsweise eines solchen Kondensators können wir mit unserer Modelldampfmaschine und dem hier gezeigten Modellkondensator erlebbar machen. Bei diesem Versuch treibt die Dampfmaschine einen Generator und eine Lampe an. Der Abdampf der Dampfmaschine wird so lange in den Glaskühler geleitet, bis dieser so warm geworden ist, dass der Dampf erst am Ausgang kondensiert. Nun wird die Gaszufuhr des Brenners so weit herunter geregelt, dass die Dampfmaschine gerade noch läuft. Nun wird der Dampfstromkreis geschlossen, indem der Kühlerausgang mit der Speisewasserpumpe der Dampfmaschine durch einen Schlauch verbunden wird. Wird nun kaltes Wasser durch die Kühlerschlange geleitet, wird beobachtbar: die Dampfmaschine läuft schneller, die von der Dampfmaschine betriebene Lampe leuchtet heller und der Druck im Glaskühler sinkt erheblich. Unterbrechen wir den Kühlwasserstrom, so verlangsamt sich der Lauf der Dampfmaschine, das Leuchten wird dunkler und der Druck im Glaskondensator steigt. Öffnen wir den Kühlwasserhahn von neuem, so wiederholt sich das zuvor beschriebene von Neuem. Obwohl wir der Dampfmaschine nicht mehr Energie zuführen, wird bei eingeschalteter Kühlung die Energieausbeute besser. Die Modelldampfmaschine ist nun zu einem Bild aller heutiger thermischer Kraftwerke geworden, wie etwa eineskohlekraftwerks und eines Kernkraftwerks.

17 Dieter Plappert 17 Alles strömt!? Historisch glaubte man zunächst, der Wirkungsgrad könnte verbessert werden, wenn statt Wasser Substanzen verwendet werden, die bei denselben Temperaturverhältnissen größere Druckdifferenzen erzeugen. Es zeigte sich keine Verbesserung. Carnot konnte dann durch den Vergleich von der Strömung eines Wärmestoffs, den wir heute Entropie nennen, mit einem Wasserstrom zeigen, dass nicht die Druckdifferenz sondern die Temperaturdifferenz die entscheidende Größe ist. Dies zu Vertiefen könnte das Thema eines weiteren Vortrages sein. Dabei könnte dann auch geklärt werden, warum alle Wärmekraftwerke so gigantische Kühlausgänge benötigen, durch die etwa 2/3 der eingesetzten Energie als Abwärme verloren gehen. Nur das folgende sei angedeutet: wie eine Wasserturbine Energie vom Wasserstrom ablädt, der durch sie hindurch fließt, so lädt dieses Thermoelement Energie von dem Entropiestrom ab, der durch Kohle und Sauerstoff liefern die Energie, Elektrizität und Abwärme tragen sie weg das Thermoelement hindurch fließt. Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto mehr Energie kann von der Entropie abgeladen werden.