Ein Kran oder ein Hubschrauber (Bild 1) hebt einen
Behälter in eine bestimmte Höhe. Dabei wird Hubarbeit
verrichtet. Die potenzielle
Energie des Behälters vergrößert sich.
Beim Anfahren und Beschleunigen eines Pkw wird an ihm Arbeit verrichtet,
die man als Beschleunigungsarbeit
bezeichnet. Die an dem Pkw verrichtete Beschleunigungsarbeit erhöht
dessen kinetische Energie.
In einem Fitness-Center (Bild 2) kann man mit speziellen
Geräten die Armmuskulatur kräftigen. Dabei werden Federn gedehnt
oder Massestücke angehoben. Bei Federn wird Federspannarbeit
verrichtet, bei Massestücken Hubarbeit. Dabei ändert sich deren
Energie. Allgemein gilt:
Die von einem System
oder an einem System
verrichtete Arbeit ist gleich der Änderung seiner Energie.
Für die oben genannten speziellen Fälle lassen sich die Zusammenhänge auch folgendermaßen formulieren:
| Art der Arbeit | Änderung der Energie | mathematischer Zusammenhang |
| Hubarbeit |
führt zur Änderung der potenziellen Energie |
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| Beschleunigungs-arbeit |
führt zur Änderung der kinetischen Energie |
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Federspannarbeit
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führt zur Veränderung der potenziellen Energie |
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Dabei wird vorausgesetzt, dass keine Energie in andere
Energieformen umgewandelt wird. Bei allen Geräten, Fahrzeugen, Maschinen
und Anlagen tritt jedoch Reibung
auf. Reibungskräfte wirken stets so, dass sie die Bewegung hemmen.
Dabei wird Reibungsarbeit
verrichtet. Es entsteht thermische Energie, die in Form von Wärme
an die Umgebung abgegeben wird. Berücksichtigt man das, so kann man
allgemeiner formulieren:
Die an einem System
oder von einem System
verrichtete Arbeit ist gleich der dem Körper oder der Umgebung zugeführten
Energie.
Wie groß der Anteil der Energie ist, der an die Umgebung in Form
von Wärme abgegeben wird, hängt vom jeweiligen Sachverhalt ab.
Weitere Gemeinsamkeiten
und Unterschiede
Arbeit und Energie haben die gleichen Einheiten. Sie werden in Newtonmeter
(Kurzzeichen: Nm) oder in Joule (Kurzzeichen: J) gemessen. Es gilt:
1 J = 1 Nm
Manchmal nutzt man auch zur Unterscheidung
der beiden Größen die Einheit Joule nur für die Energie
und die Einheit Nm nur für die Arbeit. Der
wichtigste Unterschied zwischen den beiden Größen besteht in
ihrem Charakter. Die Arbeit kennzeichnet immer einen Vorgang oder Prozess.
Sie ist eine Prozessgröße.
Die Energie dagegen charakterisiert den Zustand eines Systems. Sie ist
eine Zustandsgröße
und darüber hinaus eine Erhaltungsgröße,
da sich ihr Betrag in einem abgeschlossenen System nicht ändert.