Energie

Energie (von griechisch εν=in und εργον = Werk, Arbeit). En-ergie ist also die Größe, die in der Arbeit steckt.

Der Begriff Energie steht in der Alltagssprache sowohl für körperliche als auch für geistige Kraft bzw. Vitalität.

Unter Energie versteht man die Fähigkeit eines Körpers Arbeit zu verrichten. Energie ist eine charakterisierende Größe für den Zustand eines Körpers, eine so genannte Zustandsgröße. Mit Zustand kann die Temperatur, Verformung, Lage, der Bewegungszustand etc. gemeint sein. Die Energie wird in den gleichen Einheiten gemessen wie die Arbeit, also in Joule J. Durch eine am Körper verrichtete Arbeit wird die Energie des Körpers erhöht, verrichtet der Körper selbst Arbeit, so wird seine Energie geringer. Die Arbeit verursacht hier also eine Zustandsänderung in Form einer Temperatur-, Form-, Lage-, Beschleunigungsänderung etc. Energie kann in physikalischen Vorgängen weder erzeugt noch vernichtet (Energieerhaltungssatz) sondern nur in verschiedene Energiearten gewandelt werden.

Arbeit ist in einem System im Ruhezustand nicht vorhanden. Die SI-Einheit der Energie ist das Joule.

Formeln

Potentielle Energie $E=F\cdot h$ Energie ist gleich Gewichtskraft (bzw. Gewicht) mal Höhe
Elektrische Energie $E=U\cdot I\cdot t$ Energie ist gleich Spannung mal Stromstärke mal Zeit
Masse ist innere Energie $E=m\cdot c^{2}$ Energie ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quardrat
In der Dualität von Welle und Teilchen ist Strahlungsenergie $E=h\cdot \nu$ Energie ist gleich Planksches Wirkungsquantum * Wellenlänge
Kinetische Energie $E=m\cdot v^{2}/2$ wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und ist proportional zur Masse

Energieformen

Energie kann in verschiedene Formen umgewandelt werden. Mögliche Einteilungsformen sind

Mechanische Energie
- Kinetische Energie: Energie, die sich in einem sich bewegenden Objekt (gegenüber einer anders bewegten Umgebung) befindet.
- Potentielle Energie: Energie eines Objektes, welches sich in einem Potential befindet, zum Beispiel dem Gravitationsfeld der Erde.
Elektrische Energie Z.B. ein Elektron in einem elektrischen Feld.
Chemische Energie: Eigentlich potentielle Energie auf atomarer Ebene. Bei chemischen Reaktionen wird diese Energie in andere Energien gewandelt.
Kernenergie: Potentielle Energie auf subatomarer Ebene.
Wärmeenergie (besser ist der Begriff thermische Energie, denn Wärme ist eine Vorgangsgröße, und Energie ist eine Zustandsgröße): Der Bewegung von Teilchen (Molekülen und Atomen) in allen Stoffen über die Temperatur zugeordnete thermische Energie.
Strahlungsenergie.

Hauptnutzarten von Energie im Alltag

Der Begriff Energienutzung bezieht sich immer auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform, da nach dem Energieerhaltungssatz Energie nicht erzeugt oder vernichtet werden kann. Zumeist ist die nicht weiter nutzbare Endform der Energie Wärmeenergie.

Wir nutzen beispielsweise elektrische Energie (elektrischen Strom) aus der Steckdose um Strahlungsenergie in Form von Licht zu erzeugen oder um über einen elektrischen Widerstand Wärmeenergie zu gewinnen oder mit Hilfe des Elektromagnetismus über magnetische Felder in einem Elektromotor kinetische Energie zu erzeugen.

Chemische Energie eines Brennstoffs wird bei der Verbrennung in Wärmeenergie verwandelt oder in Verbrennungsmotoren (als Kraftstoff) in kinetische Energie umgewandelt. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motoren wird ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie direkt in Wärmeenergie umgewandelt.

Kinetische Energie wird bei der Bewegung entgegen dem Schwerefeld der Erde, also bergauf, in potentielle Energie oder über Reibung in Wärmeenergie oder akustische Energie umgewandelt.

Strahlungsenergie, auch in Form von akustischer Energie, wird beim Auftreffen auf eine absorbierende Fläche in Wärmeenergie verwandelt.

Siehe auch: Energiemix

Energieträger

Erschöpfliche Energieträger

fossile Energieträger

Kohle (Steinkohle, Braunkohle)
Torf
Erdöl
Ölsande/Ölschiefer
Erdgas
Gashydrat (noch ungenutzt auf dem Meeresboden)

Kernbrennstoffe

Regenerative Energieträger

Bioenergie/Biomasse = chemische Energie
Geothermie = thermische Energie
Gezeitenkraft meist potentielle Energie
Solarenergie auch Strahlungsenergie
Wasserkraft meist primär potentielle Energie
Wellenenergie = potentielle Energie
Windenergie = kinetische Energie

Alle Stoffe haben chemische Energie, welche bei chemischen Reaktionen gewandelt wird.

Energie und Masse

Seit Albert Einstein weiß man, dass Masse und Energie nach der berühmten Formel

E=m\cdot c^{2}

ineinander umgewandelt werden können. Außer bei der Kernspaltung, bei der Kernfusion und bei verschiedenen Experimenten der Elementarteilchenphysik ist jedoch die mit Energieänderungen des Systems einhergehende Massendifferenz weit unterhalb der Messgenauigkeit.

Größenordnungen

Die folgende Aufstellung soll helfen, ein Gefühl für die Größenordnungen von Energie zu erhalten.

10⁰ J = 1 J = 1 Ws = 1Nm: potentielle Energie, die beim Anheben einer Schokoladentafel (ca. 100g) um 1 Meter in dieser gespeichert wird.
2,5*10⁶ J = 2500 kJ: ungefährer täglicher körperlicher Energiebedarf eines Menschen.
3,6*10⁶ J = 3600 kJ = 3600 kWs = 1kWh: Abrechungseinheit für Strom/Gas usw.
1 eV = 1,602 176 462(63) · 10^-19 J: Elektronvolt werden in der Elementarteilchenphysik verwendet.

Einheit

1 Nm = 1 J = 1 Ws = 0,2388 cal = 0,102 kpm = 0,2778*10^-6 kWh