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Didaktische Rekonstruktion von Wärme und Energie

Ansprechpartner: Jan-Peter Meyn

In der Physik ist das Wesensmerkmal der Energie ihre Erhaltung unter allen Umständen, im Alltag hingegen wird Energie verbraucht. Sprachlich löst man das Problem durch den neuen Begriff „Energieentwertung“ oder durch die Erläuterung, das etwas verbraucht werden kann, ohne es zu vernichten, beispielsweise Wasser. Damit ist aber noch nicht gesagt, was Energieverbrauch physikalisch ist.

Im Physikunterricht wird fast immer probiert, den Energieverbrauch allein durch Energie zu erklären, aber das kann nicht funktionieren, weil Energie eine Erhaltungsgröße ist. Es gibt keine Energie erster und zweiter Klasse, sondern nur Energie. Historisch ist die Energie als neutrale Vergleichsgröße eingeführt worden, und diese Rolle hat sie bis heute behalten.

Energie wird verbraucht, wenn Entropie erzeugt wird. Wenn man Entropie als Fachbegriff nicht sagen möchte, reicht auch: Energie wird durch unumkehrbare Vorgänge verbraucht. Sobald man jedoch eine Bilanz aufstellt, braucht man einen Term, der die Entropie als physikalische Größe enthält, und das ist bis heute in Schulen nicht üblich, trotz des nachgewiesen geringen Erfolges des Unterrichts nach dem tradierten Muster.

Ein neues Lehrbuch zielt darauf ab, die Größe Energie zurückzustellen und möglichst viel Thermodynamik allein mit Temperatur und Entropie zu behandeln, einschließlich der Wärmemotoren. Die Energie erscheint in diesem Konzept erst, wenn mechanische, elektrische und chemische Prozesse quantitativ mit thermischen Prozessen verglichen werden, bildlich gesprochen: Wenn ein elektrischer Generator auf die Achse der Gasturbine gebaut wird. Die Erprobung dieses Konzeptes an der Universität zeigte, dass Vorkenntnisse zur Energie fest verankert sind. Die Gewohnheit, Energieverbrauch mit Energie erklären zu wollen, wird trotz des Angebots einer funktionierenden Alternative beibehalten. Eine erste Forschungsfrage lautet: Wird dieses Problem verschwinden, wenn Thermodynamik an Schülerinnen und Schüler unterrichtet wird, die keine Vorkenntnisse haben?

Durch Unterrichtsversuche in der Lehrerbildung und an Schulen soll sukzessive ein Unterrichtskonzept für den regulären Unterricht entwickelt werden. Mit fortschreitender Ausarbeitung werden Instrumente der empirischen Unterrichtforschung eingesetzt, um die Wirksamkeit zu prüfen und zu optimieren.

Publikationen

[1] Meyn, J.-P. (2020). Wärme und Energie. Berlin / Boston: De Gruyter Oldenbourg. (link: https://doi.org/10.1515/9783110495799)

[2] Zucker, F., Strunz, A., Gräbner, A., & Meyn, J.-P. (2015). Quantitative analysis of a wind energy conversion model. European Journal of Physics, 36, 025014+9. (link: http://dx.doi.org/10.1088/0143-0807/36/2/025014)

[3] Meyn, J.-P. (2011). Renewable energy sources in terms of entrophy. European Journal of Physics, 32, 185-200. (link: http://dx.doi.org/10.1088/0143-0807/32/1/017)