Wenn ein Ballon platzt und einen Ziegelstein fallen lässt, woher kommt dann die Energie?

Ihre Schätzung, dass der Ziegel "ein bisschen" an Energie durch den Luftwiderstand verlieren würde, ist falsch. Es würde den größten Teil seiner Energie verlieren. Die Endgeschwindigkeit eines Ziegelsteins ( http://physicsbuzz.physicscentral.com/2018/01/ask-physicist-which-falls-faster-brick.html ) wird mit etwa 95 m/s angegeben. Dies ist seine Geschwindigkeit, wenn es auf den Boden trifft, also wird die Energie, die es in den Boden abgibt, 4.500 J betragen, nicht 100.000 J. Wenn Sie richtig rechnen, gehen über 95 Prozent seiner Energie durch den Luftwiderstand verloren.

Wenn der Ballon aufsteigt, treibt ihn die Atmosphäre nach oben. Der potentielle Energiegewinn des Ziegels ist gleich dem Energieverlust der Atmosphäre; Wenn der Ballon aufsteigt, wird die Atmosphäre, die den Raum darunter ausfüllt, im Durchschnitt sehr, sehr, leicht niedriger als der Boden. Die Energie stammt also aus der Gravitationspotentialenergie der Atmosphäre*.

*Grundsätzlich muss auch die Wärmeenergie der Atmosphäre berücksichtigt werden, da die Temperatur in der Troposphäre mit der Höhe schnell abnimmt. Das bedeutet, dass der ursprüngliche Gewinn an potenzieller Gravitationsenergie der Atmosphäre auch ihre thermische Energie leicht verringerte, während dem Verlust an potenzieller Gravitationsenergie der Atmosphäre etwas durch einen Gewinn an thermischer Energie entgegengewirkt wird. Diese Energieübertragungen sind jedoch wahrscheinlich klein im Vergleich zu den Änderungen der potenziellen Energie der Gravitation (und selbst wenn dies nicht der Fall wäre, wird die Fähigkeit, unter Verwendung des Temperaturgradienten Arbeit zu verrichten, durch thermodynamische Überlegungen behindert).

Die kinetische Energie stammt aus der potenziellen Energie der Gravitation

Die potenzielle Gravitationsenergie stammt aus der Auftriebsenergie (Kraft * Höhe), die den Ballon und den Ziegelstein in die Luft hebt

Die Auftriebsenergie kommt vom Helium. Warum also sollte Helium Auftrieb haben?

Stellen Sie sich vor, Sie nehmen einen mit normaler Luft gefüllten Ballon und versuchen, ihn unter Wasser zu drücken. Das kostet Energie. Anstelle von potentieller Gravitationsenergie ist es ... schwebende potentielle Energie. Je tiefer Sie den Luftballon ins Wasser drücken, desto mehr potenzielle Energie geben Sie dem Luftballon.

Das gleiche gilt für Helium, außer mit der Atmosphäre. Helium hat eine hohe potentielle Energie in Bodennähe und verbraucht potentielle Energie hoch in der Atmosphäre.

Die Energie im Ziegel stammt aus der Energie, die aufgewendet wird, um Helium zu sammeln und auf den Boden zu bringen. Zum Beispiel einige Heliumquellen, die Energie kosten:

• Wasserstoff fusionieren
• Bergbau aus dem Boden
  • die geologischen Prozesse, die Wasserstoff in den Boden und nicht in die Atmosphäre einbetteten
• Filtern/Sammeln aus der Atmosphäre
• und dann die Energie, um es unter Druck zu setzen und in einer komprimierten Heliumquelle zu reinigen, die zum Füllen des Ballons verwendet wird

Da kommt die Energie her!

Kleine Tangente/Ausarbeitung:

• Wie in den Kommentaren erwähnt, kann "Auftriebspotentialenergie" (BPE) als eine weitere Manifestation der Gravitationspotentialenergie (GPE) angesehen werden. Wenn ich das so einfach wie möglich ausdrücken würde, wäre es folgendes: Wenn man einen Luftballon ins Meer (oder Helium auf den Boden) schiebt, ist die Auftriebspotentialenergie des Ballons (oder Heliums) = die Gravitationspotential Energie des Wassers (oder der Atmosphäre) verdrängt. Wenn Sie einen Luftballon in den Ozean schieben, befinden Sie sich in demselben Wasser, das Ozeanwasser von niedrigeren in höhere Höhen verdrängt. Wenn Sie also mit Ihrem Luftballon den Grund des Ozeans erreichen, befindet sich über dem Ballon eine Wassersäule, die Sie gegen die Schwerkraft angehoben haben (da der Ballon das Wasser verdrängt). Die Entfernung, um die Sie die Wassersäule angehoben haben, ist die durchschnittliche Höhe des Ballons. Also BPE des Ballons = GPE des verdrängten Wassers. Dann ist in der Atmosphäre der BPE des Heliums = der GPE der Atmosphäre. Es wäre ungenau zu sagen, dass der Ballon selbst GPE hat, aber es ist in der Tat richtig zu bemerken, dass GPE beteiligt ist. Es ist nur die Atmosphäre, nicht der Ballon, der GPE hat (wenn wir sehr genau und technisch sind, wenn wir darüber sprechen).

Ich bin nicht der Meinung, dass die Energie vom Aufblasen des Ballons "kommt".

Helium, das sich unter der Atmosphäre befindet, „enthält“ aufgrund des Auftriebs potenzielle Energie, genauso wie ein Felsen auf der Spitze eines Hügels aufgrund der Schwerkraft potenzielle Energie „enthält“. Die potentielle Energie ist also schon da; Indem Sie den Stein am Ballon befestigen, übersetzen Sie die potenzielle Auftriebsenergie des Heliums in die potenzielle Gravitationsenergie des Steins.

Wenn der Ziegel nicht da wäre, würde diese Energie in die kinetische Energie des Heliums umgewandelt, die ohne den Ziegel viel schneller ansteigen würde. Das gilt mit oder ohne Ballon.

Die nächste logische Frage ist, woher kam diese lebhafte potentielle Energie? Die Antwort ist, welche Energie auch immer verwendet wurde, um das Helium zunächst unter die Atmosphäre zu bringen.

In der realen Welt wäre dies die chemische Energie von jeder Reaktion, die das Helium getrennt hat (oder man könnte argumentieren, die latente Auftriebsenergie in den Reaktanten) , aber es ist die gleiche Logik, als ob wir einen riesigen Beutel voller Helium nach unten ziehen würden aus dem Weltall. Die Menge an Energie, die verwendet wird, um den Beutel durch die Atmosphäre nach unten zu ziehen, ist die gleiche wie die Menge, die durch das wieder aufsteigende Helium gewonnen werden kann (abzüglich der Verluste durch den Luftwiderstand) .

Unter der Annahme, dass der Ballon und die Nutzlast vom Boden auf 10.000 m aufgestiegen sind und dass das durch den Ballon und die Nutzlast verdrängte Volumen vollständig aus n Mol Helium stammt, ist die durch den Ballon und die Nutzlast gewonnene PE gleich der durch den Ballon und die Nutzlast verlorene PE n Mol Luft bewegen sich aus 10.000 m Höhe zum Boden. (KE ignorieren)

Da Luft dichter als Helium ist, verliert sie beim Fallen schneller PE, als das Helium beim Aufsteigen gewinnt.

Das Molmassendifferential ermöglicht es Helium, Lasten zu heben. Solange Sie die Schwellenmenge an Helium löschen und einen Ballon haben, der stark genug ist, ist es nur eine Frage der Zeit, bis ein Ziegelstein eine Höhe von 100 kJ erreichen kann. Fügen Sie einfach mehr Helium hinzu, um früher dort anzukommen.

Für jedes aufsteigende Mol Helium (4 g) fällt ein Mol Luft (~29 g) nach unten, um seinen Platz einzunehmen, was einer Differenz von 25 g/mol* entspricht. Mit anderen Worten, ein Mol Helium kann ungefähr 25 g Nutzlast in der Erdatmosphäre anheben. Fügen Sie in der Praxis mehr Helium hinzu, um den Auftrieb in einem angemessenen Tempo in Gang zu bringen, und die maximale Höhe wird durch die Stärke des Ballons begrenzt, der versucht, das Helium einzudämmen, das sich beim Aufsteigen weiter ausdehnt.

* (Dies entspricht 1 g / l auf Meereshöhe, aber da Gasvolumina empfindlich auf unterschiedliche Drücke reagieren, versuche ich, diese Maßeinheit speziell für den Umfang dieser Frage zu vermeiden, bei der es um Höhenänderungen geht.)

Ja, die gesamte Energie stammt aus der Energie, die zum Aufblasen des Ballons benötigt wird.

Dies ist etwas intuitiver, wenn Sie sich vorstellen, wie wenig ein typischer Ballon tragen kann (weniger als ein Gramm) und wie heftig die Druckluftbehälter, die Sie zum Befüllen von Ballons verwenden, explodieren können.

Hier ist die quantitative Berechnung. Es braucht ungefähr eine Energie

Diese Energie geht in die potenzielle Gravitationsenergie (GPE) der gesamten Atmosphäre ein, da die Luft, die Sie beim Aufblasen des Ballons weggedrückt haben, andere Luft wegdrückt und so weiter, wodurch letztendlich Luft von der Erde weggehoben wird. Wenn der Ballon durch diese Atmosphäre aufsteigt, wandelt sich der GPE der Luft in GPE des Ballons und des Ziegels um, da das Aufsteigen des Ballons Luft fallen lässt.

Wenn Sie möchten, können Sie dieses GPE der Luft als "auftriebsfähige potentielle Energie" des Ballons bezeichnen. Es ist genau dasselbe; Die ganze Bedeutung von potentieller Energie ist "eine andere Art von Energie, die wir blackboxen". Wir haben bereits die Gravitationsfeldenergie der Luft und der Erde als GPE der Luft in eine Blackbox eingetragen, und Sie können dies erneut als „BPE“ des Ballons in eine Blackbox eintragen. Alle Antworten hier sagen also wirklich dasselbe aus.

Wie auch immer, um es quantitativ zu sagen, die Arbeit, die am Ziegel durch die Luft geleistet wird

Diese Energie stammte ursprünglich aus der Energie, die zum Füllen des Ballons benötigt wurde. Man könnte sagen, es braucht keine Energie, um den Hahn eines Druckluftbehälters zu öffnen. Sicher, aber dann kam die Energie von dem, was überhaupt die Luft in den Tank gebracht hat.

Durch den Luftwiderstand geht beim Sturz Energie verloren. Wie in den Kommentaren erwähnt, ist es ein sehr kleiner Effekt, aber die Energie ist auch geringer, weil$g$beträgt 9,81 ms$^{-2}$an der Oberfläche - es wird höher etwas niedriger sein ... 0,3% niedriger in 10 km Höhe, wie von @probably_someone angegeben.

Wenn der Ballon gefüllt ist, arbeitet er an der Umgebungsluft$P\Delta V$wo$P$atmosphärischer Druck ist, wo der Ballon gefüllt ist und$\Delta V$ist das Volumen des Ballons.

Wenn der Ballon tatsächlich aufsteigt, füllt Luft von oben den Ballon aus, der von dem Ballon zurückgelassen wird. Dadurch sinkt Luft in die Höhe und verliert Energie und gibt diese an den Ballon ab. -- Aber letztendlich wurde die Luft 'höher nach oben gedrückt', indem der Ballon mit Gas gefüllt wurde ... also gewann der Ziegel letztendlich potentielle Energie (und dann kinetische Energie) aus der Arbeit, die beim Aufblasen des Ballons geleistet wurde.

tl; dr Die Energie stammt aus der Umwandlung von Auftriebspotentialenergie in potentielle Gravitationsenergie. Diese Energie kam vom Füllen des Ballons mit genügend Helium, um ihn und den Ziegelstein vom Boden abzuheben.

Stellen Sie sich vor, Sie haben Ihren Ballon noch nicht gefüllt – Sie haben einen entleerten Ballon, der an einen Ziegelstein gebunden ist und auf dem Boden sitzt. Nennen wir das Ballonbausteinsystem das Luftschiff.

Das Luftschiff befindet sich im Gleichgewicht auf dem Boden. Es hat keine potentielle oder kinetische Energie. Aber dann schließen Sie Ihren Ballon an Ihren Heliumkanister an und fangen an, ihn zu füllen. Wenn sich der Ballon zu füllen beginnt, nimmt das durch das Helium verdrängte Atmosphärenvolumen zu, bis das Gewicht dieser verdrängten Luft größer wird als das Gewicht des mit Helium gefüllten Ballons (dies bewirkt nur, dass der Ballon angehoben wird, da Helium weniger dicht ist als das Umgebungsluft). Dieser Auftrieb sorgt für eine Aufwärtskraft auf den Ballon und das Luftschiff. An diesem Punkt schwebt der Ballon über dem Ziegelstein, aber es fehlt noch die Kraft, um das Luftschiff vom Boden abzuheben. Der Ziegel selbst befindet sich noch im Gleichgewicht.

Sie füllen den Ballon weiter mit Helium, und schließlich sorgt die Auftriebskraft des größeren Ballons für genügend Aufwärtskraft auf das Luftschiff, um die Schwerkraft auf das Luftschiff zu überwinden - also hören Sie auf, Helium in den Ballon zu pumpen, indem Sie Ihren Kanister trennen. Das Luftschiff ist nun aus dem Gleichgewicht geraten, da es am Boden ist, und beginnt zu steigen, um einen niedrigeren Energiezustand zu erreichen.

Die Schwerkraft ändert sich nicht, wenn Ihr Luftschiff aufsteigt (technisch nimmt sie durch die zusätzliche Atmosphäre unter Ihnen ein wenig zu, aber das können wir ignorieren). Wenn Ihr Ballon stark genug wäre, würden Sie schließlich einen Punkt erreichen, der hoch genug in der Atmosphäre liegt, so dass die auf den Ballon ausgeübte Auftriebskraft so weit abnimmt, dass das Luftschiff wieder im Gleichgewicht ist - die Auftriebskraft gleicht die Gravitationskraft aus auf das Luftschiff. Ihr Luftschiff hat jetzt viel potentielle Gravitationsenergie! Aber woher kam es? Es kommt tatsächlich von der Auftriebskraft, die während des Aufstiegs ständig auf das Luftschiff einwirkte. Sobald Ihr Luftschiff genug gefüllt war, um vom Boden abzuheben, gewann es an Auftriebspotential. Als Ihr Luftschiff also aufstieg, wandelte es diese schwebende potentielle Energie in potentielle Gravitationsenergie um. Der Haken an der Sache ist, dass während des Aufstiegs tatsächlich noch eine andere Kraft auf das Luftschiff einwirkte – die Kraft des Luftwiderstands. Sie verlieren also insgesamt potenzielle Energie, wenn Sie Ihr Luftschiff in den Himmel schweben lassen! Aber das ist eine gute Sache – denn wenn es beim Aufsteigen keine potenzielle Energie verlieren würde, würde es überhaupt nicht aufsteigen.

Sie fragen sich vielleicht, woher die lebhafte potentielle Energie kam? Es kam vom Füllen des Ballons mit genügend Helium, um die Schwerkraft auf dem Luftschiff zu überwinden.

Hier ist eine nette kurze Referenz, die ich gefunden habe und die das Problem mit Gleichungen behandelt: https://aapt.scitation.org/doi/pdf/10.1119/1.1466552

Um Ihre Frage zu beantworten, müssen wir fragen: "Woher kam die Energie, um das Ballon/Fels-System (B/R) aufsteigen zu lassen?" Irgendeine Kraft wirkte auf B/R und übertrug ihm Energie.

In einem nahezu inertialen System (lokales Gravitationsfeld von Null) wie der Internationalen Raumstation (ISS) könnte man den ganzen Tag Ballons mit verschiedenen Gasen aufblasen, und die Ballons würden nicht "aufsteigen"; Sie würden einfach dort bleiben, wo sie platziert sind (wobei die vorhandenen winzigen Beschleunigungen ignoriert werden, da sie nicht perfekt träge sind). Überlegen Sie als Nächstes, was passieren würde, wenn die ISS ihre Umlaufbahn so verlassen würde, dass es ein lokales Feld in Richtung Erde gibt. Einige Ballons würden auf die Erde zufallen und andere wieder aufsteigen. Wieso den?

Eine der Eigenschaften eines Gases ist der Druck. Wenn wir ein isoliertes System wie B/R erstellen, führt der Druck auf eine Hemisphäre des Systems zu einer Nettokraft in Richtung der Halbierungsebene, die die Hemisphäre definiert, und der Druck auf die gegenüberliegende Hemisphäre führt zu einer entgegengesetzten Nettokraft. Wenn kein Beschleunigungsfeld (Schwerkraft) vorhanden ist, ist der Druck überall gleich und die Nettokraft auf B / R ist Null. Der Druck ist da, ob Schwerkraft oder nicht, also erfordert das Aufblasen eines Ballons etwas Arbeit, aber der Ballon steigt (oder fällt) trotzdem nicht. Druck entsteht durch Kollisionen von Molekülen und Übertragungen von Impuls und kinetischer Energie.

Das Vorhandensein eines Beschleunigungsfeldes erzeugt eine Druckdifferenz in der Atmosphäre entlang der Beschleunigungslinie. Die Schwerkraft bewirkt also, dass der Druck der Atmosphäre näher an der Erde größer ist als weiter oben. Dies bedeutet, dass die nach unten gerichtete (gleiche Richtung wie die Schwerkraft) Kraft aufgrund des atmosphärischen Drucks auf der oberen Hemisphäre kleiner ist als die nach oben gerichtete Kraft des atmosphärischen Drucks auf der unteren Hemisphäre. Das Ergebnis ist, dass von der Atmosphäre in einem Gravitationsfeld eine Netto-Aufwärtskraft ausgeht. Aber das ist nicht alles. Die Schwerkraft wirkt auch auf die Masse von B/R. Damit B/R ansteigt, muss die atmosphärische Nettokraft nach oben größer sein als das Gewicht. (Dies ist alles in Archimedes Prinzip zusammengefasst, aber das verbirgt die Grundlagen des Gravitationsfeldes.)

Schließlich leistet die Auftriebskraft der Atmosphäre Arbeit an B/R, und das kommt vom Gravitationsfeld (Raum-Zeit-Krümmung aufgrund der Masse der Erde??) und das Gravitationsfeld leistet direkt Arbeit an der Masse von B/R . Die durch B/R gewonnene Energie stammt also letztlich aus dem Gravitationsfeld.

Zu Beginn des Experiments haben Sie einen Ballon+Ziegel in Bodennähe und eine Luftblase in der Größe eines Ballons+Ziegels in 10.000 m Höhe. Wenn der Ballon die Höhe erreicht hat, haben Sie jetzt eine Luftblase in der Größe eines Ballons und eines Ziegels auf Bodenhöhe und den Ballon und einen Ziegel auf 10.000 m - sie haben einfach die Plätze getauscht.

Da der Ballon+Stein schwimmt, wissen wir, dass der Ballon+Stein weniger wiegt als die Lufttasche gleicher Größe. Sie haben sich beide um die gleiche vertikale Distanz bewegt. Daher hat die absteigende Luft etwas mehr PE verloren, als der Ballon+Ziegel hinzugewonnen hat.

Die im Ziegel gespeicherte Energie stammte aus dem bereits in der Atmosphäre gespeicherten PE.

Dies ist meine zweite Antwort. Es ist ein Versuch, einige Punkte in meiner ersten, offensichtlich nicht sehr populären Antwort zu klären und ein paar zusätzliche Punkte hinzuzufügen, die in vielen guten Antworten anderer Leute noch zu fehlen scheinen.

Also noch einmal, woher kam die Energie, die den Ziegelstein anhob?

Die meisten Menschen, einschließlich mir selbst, stimmen darin überein, dass die Quelle der zunehmenden potentiellen Energie des aufsteigenden Ziegels die abnehmende potentielle Energie einer herunterkommenden Luftsäule ist.

Einige verwenden den Begriff „schwimmende potentielle Energie“, aber das ist nur eine andere, weniger direkte Art, dieselbe Idee auszudrücken: Die Tatsache, dass die Luftsäule nach unten „will“, kann als Ballon interpretiert werden, der „wollt“. geh hinauf.

Okay, woher kam also die potentielle Energie der Luftsäule?

Hier gehen die Meinungen auseinander.

Einige Leute vermuten, dass es vom Aufblasen eines Ballons kommt. Andere sagen, dass es irgendwie eine Eigenschaft von Helium ist . Andere - dass es auf das Gravitationsfeld zurückzuführen ist . Manche sagen nichts.

In meiner unpopulären Antwort sagte ich, dass diese potentielle Energie " in die Atmosphäre eingebaut ist und daher dieselben Quellen hat wie die potentielle Energie der Atmosphäre, die hauptsächlich aus Schwerkraft und Sonne besteht ". Diese Antwort wurde größtenteils abgelehnt und die Argumente um sie herum dauern bis heute an. Ich möchte also klarstellen, was ich mit "in die Atmosphäre eingebauter potentieller Energie" meine und warum ich denke, dass dies eine richtige Antwort ist.

Wenn wir den Meeresspiegel als Referenz wählen (Nullpotentialniveau), müssen wir Luftmoleküle anheben, um der Atmosphäre positive potentielle Energie zu verleihen. Dies wird durch Erhitzen der Luft erreicht. Wenn wir heute die Temperatur der Atmosphäre erhöhen würden, würde sie sich ausdehnen und ihre potenzielle Energie würde zunehmen. Wenn wir die Atmosphäre abkühlen würden, würde sie sich zusammenziehen und ihre potenzielle Energie würde abnehmen. Wenn die Temperatur irgendwie null werden würde, würde die Atmosphäre zusammenbrechen und ihre potenzielle Energie (relativ zum Meeresspiegel – unserem Bezugspunkt) würde null werden.

Es braucht also sowohl Schwerkraft als auch Wärme, nicht nur Schwerkraft, um die potentielle Energie der Atmosphäre aufzubauen.

Der Ausdruck "in die Atmosphäre eingebaute potentielle Energie" spiegelt nur die Tatsache wider, dass Luftmoleküle, die in verschiedenen Höhen über dem Boden schweben (aufgrund ihrer kinetischen Energie oder Temperatur) und die Atmosphäre bilden, eine gewisse kombinierte potentielle Energie haben - die potentielle Energie von Atmosphäre.

Können wir sagen, dass die Energie aus dem Aufblasen eines Ballons stammt?

Sicher, wir können sagen, dass wir durch das Aufblasen eines Ballons eine bestimmte Menge Luft verdrängen (anheben) und dadurch die potenzielle Energie der Atmosphäre erhöhen, aber das bedeutet nicht, dass diese bestimmte Energie verwendet wird oder wird benötigt, damit die Luftsäule absinkt oder der Ballon aufsteigt.

Wenn wir beim Aufblasen des Ballons zehnmal so viel Luft ansaugen und komprimieren (oder auf andere Weise entfernen), wie in den Ballon gelangt, würde die Luftsäule immer noch sinken und der Ballon immer noch steigen.

Wenn also die potenzielle Energie, die zum Anheben des Ballons verwendet wird, bereits in die Atmosphäre eingebaut ist, was ist dann das Besondere an Helium, das den Ballon zum Aufsteigen bringt? Warum sollte die Luft im Ballon nicht dasselbe tun?

Hier kommt ein kniffligerer Teil der Antwort: Um eine Luftsäule nach unten gehen zu lassen, müssen wir nur etwas Platz dafür schaffen, was einen Weg zur Verringerung ihrer potentiellen Energie öffnen würde - sonst würde ihre potentielle Energie nicht abnehmen, übertragen oder anderweitig realisiert werden.

Anstatt einen Ballon aufzublasen, könnten wir beispielsweise etwas Luft komprimieren, wodurch eine Luftsäule nach unten sinken könnte.

Als weiteres Beispiel könnten wir ein Stück Holz lösen, das am Grund eines Ozeans feststeckt, und so etwas potenzielle Energie freisetzen, die in der darüber liegenden Wassersäule gespeichert ist.

Ein mit Luft gefüllter Ballon schafft diesen Raum einfach nicht, da ein Austausch die potenzielle Energie der darüber liegenden Luftsäule nicht verringern würde.

Das Problem mit dem Ballon ist also nicht nur die Energiequelle, sondern auch eine Methode zur Freisetzung oder Übertragung der vorhandenen potentiellen Energie.

Die dabei aufgewendete Energiemenge kann etwa gleich (Energie zum Aufblasen eines Heliumballons), größer (Energie zum Komprimieren von Luft) oder kleiner (Energie zum Lösen eines Holzstücks am Meeresgrund) als die potenzielle Energie sein freigegeben.

Mit anderen Worten, die explizit aufgewendete Energie bei dem Prozess, Platz zu schaffen, damit die Flüssigkeitssäule nach unten sinken und ihre potenzielle Energie freisetzen/übertragen kann, ist ein zufälliger – nicht wesentlicher – Teil der Energiefreisetzung/-übertragung.

Die Energie stammt zunächst von einem kollabierenden Stern, der schwere radioaktive Elemente wie Thorium und Uran produziert. Als die Erde entstand, waren diese radioaktiven Elemente in der Kruste vorhanden. Als diese Elemente im Laufe der Zeit zerfielen, produzierten sie Helium durch Alpha-Zerfall, das sich in Erdgasreserven ansammelte, aus denen der größte Teil des heutigen Heliums stammt.

Die Energie kommt aus dem Füllen des Ballons.

Stellen Sie sich das folgende Szenario vor, das Ihrem entspricht, aber intuitiver ist:

1-Stellen Sie sich eine Masse vor, die in den Ozean fällt und an einem Generator befestigt ist. Wenn es fällt, erzeugt der Generator Energie.

2-Stellen Sie sich nun vor, die Masse wäre mit einem Unterwasser-Hebesack ( https://en.wikipedia.org/wiki/Lifting_bag ) ausgestattet, an dem ein Schlauch befestigt ist, um Luft von der Oberfläche zuzuführen.

3-Eine Luftpumpe wird aktiviert, um das Unterwasser-Hebekissen zu füllen. Die Masse erhebt sich aus dem Wasser. Dabei brachte es den Generator dazu, wieder Energie zu produzieren.

Jetzt ist leicht zu erkennen, dass es sich entweder um ein Gerät mit freier Energie handelt (was nicht der Fall ist) oder dass die Energie entweder aus dem Füllen des Unterwasser-Hebesacks (dem Ballon in Ihrem Beispiel) stammt.

Aktualisiert.

Ich denke, wir können sagen, dass die Energie aus zwei Quellen kommt.

Erstens, da das in den Ballons verwendete Helium durch radioaktive Prozesse im Untergrund erzeugt wird, besitzt es bereits potentielle Energie, die später die Ballons nach oben treiben würde.

Woher also kommt diese potentielle Energie?

Ursprünglich habe ich gesagt, dass es von Uran stammt, aber nach einigen guten Diskussionen in den Kommentaren und einigem Nachdenken wurde mir klar, dass dies nicht der Fall war. Die Atmosphäre sowie Ozeane oder andere Gewässer haben potentielle Energie in sich eingebaut, die an jedem Objekt arbeiten (anheben) könnte, das leichter als Luft bzw. Wasser ist.

Obwohl also Heliummoleküle durch radioaktiven Zerfall entstehen, ist ihre Auftriebspotentialenergie auf die in die Atmosphäre eingebaute potentielle Energie zurückzuführen und hat daher die gleichen Quellen wie die potentielle Energie der Atmosphäre, die hauptsächlich aus Schwerkraft und Sonne besteht .

Wir können also sagen, dass die Auftriebspotentialenergie von Protonen und Neutronen in Uranatomen ungefähr gleich der Auftriebspotentialenergie von Alphateilchen und Heliummolekülen ist, zu denen sie schließlich werden, aber sie können nur steigen, wenn sie von schweren Uranatomen befreit werden .

*Ergänzung zum ersten Kommentar: Wenn Helium unterirdisch entsteht, wird es nicht komprimiert und würde, da es leichter als Luft ist, aufsteigen, wenn es nicht eingeschlossen wäre.

Wenn Helium auf der Spitze eines Berges produziert würde, müsste jemand Arbeit gegen die Auftriebskraft leisten, um es auf den Boden zu bringen und so seine potentielle Energie aufzubauen, die schließlich zum Anheben des Ballons verwendet werden könnte .*

Zweitens (überspringen aller Zwischenschritte) muss eine beträchtliche Energie beim Komprimieren von Helium in einen Tank aufgewendet werden, wo diese Energie gespeichert wird, bis sie zum Aufblasen des Ballons verwendet wird.

Eine einfache und intuitive Antwort könnte erforderlich sein. Gestatten Sie mir, einige Einschränkungen und Bedingungen für das folgende Szenario vorzunehmen:

1 Es gibt kein Helium, außer in 10.000 m Höhe mit einem Druck von 0 psi.
2 Die Energie, die ein Raumschiff benötigt, um das Helium „zu bekommen“, wird nicht gezählt.
3 Das Heliumvolumen, das erforderlich ist, um 1 kg auf 10.000 m zu heben, ist V (@ 14 psi).
4 Die Energie, die erforderlich ist, um das Volumen V auf 14 psi = zu komprimieren 100.000 J.

Das Raumschiff steigt auf 10.000 m und komprimiert Helium (@ 0 psi), um ein Volumen V (@ 14 psi) zu füllen, und bringt es zurück zur Erdoberfläche. Dort wird ein Ballon des Volumens V mit dem Helium gefüllt (bei 14 psi).

Aufgrund des Druckunterschieds (14 vs 0 psi) „will“ das Helium auf 0 psi (auf 10.000 m) „zurück“.

Dieses Szenario macht deutlich, dass die vom Heliumballon verbrauchte Energie aus der Energie stammt, die beim Komprimieren eines Heliumvolumens V von 0 psi auf 14 psi (oder einem äquivalenten Prozess) aufgewendet wird!

Die potenzielle Energie der Gravitation ist negativ und geht auf Null, sobald Sie sich von der Erde ins Unendliche entfernen. Die Energie des Ziegels kommt also aus dem potenziellen Energiegewinn (negativer in Erdnähe, weniger negativ von der Erde entfernt.