Energie

Die Energie ist eine Größe, die zur Beschreibung physikalischer Systeme und Prozesse verwendet wird. Der Begriff wurde von dem schottischen Physiker William John Macquorn Rankine im Jahr 1852 im heutigen Sinn in die Physik eingeführt und leitet sich ab von griechisch εν=in und εργον = Werk, Arbeit. En-ergie ist also die Größe, die in der Arbeit steckt. Vor 1852 wurde für die Energie der Begriff Kraft, in Deutschland auch "lebendige Kraft", benutzt. Der Begriff Energie steht in der Alltagssprache sowohl für körperliche als auch für geistige Kraft bzw. Vitalität.

Energieformen

Energie kann in verschiedenen Formen auftreten. Mögliche Einteilungsformen sind

Kinetische Energie: Energie, die sich in einem sich bewegenden Objekt (gegenüber einer anders bewegten Umgebung) befindet.
Gravitationsenergie: Energie eines Objektes, welches sich in einem Potential befindet, zum Beispiel dem Gravitationsfeld der Erde (potentielle Energie)
elastische Energie (Elastizität)
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 (→ Strahlung).

Energie ist eine charakterisierende Größe für den Zustand eines Sytems, eine so genannte Zustandsgröße. Mit Zustand kann die Temperatur, Verformung, Lage, der Bewegungszustand etc. gemeint sein.

Umwandlung der Energieformen und Energienutzung

Energie kann in physikalischen Vorgängen weder erzeugt noch vernichtet sondern nur in verschiedene Energiearten umgewandelt werden. In einem geschlossenen System gilt der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist.

Durch eine am System verrichtete Arbeit wird die Energie des Systems erhöht, verrichtet das System selbst Arbeit, so wird seine Energie geringer. Die Arbeit verursacht hier also eine Zustandsänderung in Form einer Temperatur-, Form-, Lage-, Beschleunigungsänderung etc.

Der Begriff Energienutzung bezieht sich auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform (→ Arbeit). Eine Energieerzeugung ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Es ist aber auch nicht möglich, die Energieformen beliebig ineinander umzuwandeln. Insbesondere ist es unmöglich, dass ein System seine Wärmeenergie komplett als Arbeit abgibt.

Beispiele für die Energieumwandlung sind die Erzeugung von Licht und Wärme aus elektrischer Energie über einen elektrischen Widerstand und die Umwandlung der elektrischen Energie mit Hilfe des Elektromagnetismus über magnetische Felder in einem Elektromotor in kinetische Energie.

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.

In Kraftwerken wird elektrische Energie erzeugt. Entweder wird dabei vorhandene potentielle Energie (Speicherkraftwerk) oder kinetische Energie (Laufkraftwerk, Windkraftwerk) über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt oder es wird der Umweg über eine Wärmekraftmaschine gewählt, um aus Wärme Energie zu gewinnen. Beispiele dafür sind Wärmekraftwerke, die mit Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Kernkraft oder auch Müll betrieben werden.

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

Energieträger

Erschöpfliche Energieträger

fossile Energieträger

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

Siehe auch: Fossile Energie, Fossilien

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, bzw. dass Masse und Energie einander äquivalent sind. 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.

Formeln

Potentielle Energie $E=F\cdot h$ Energie ist gleich Gewichtskraft (bzw. Gewicht) mal Höhe
Elektrische Energie $E=U\cdot I\cdot t$ ist gleich Spannung mal Stromstärke mal Zeit
innere Energie $E=m\cdot c^{2}$ ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat
Nach dem Welle-Teilchen-Dualismus ist Strahlungsenergie $E=h\cdot \nu$ gleich Plancksches Wirkungsquantum * Wellenlänge
Kinetische Energie $E=m\cdot v^{2}/2$ wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und ist proportional zur Masse
Arbeit (=Energie) $W=E=P\cdot t$ ist Leistung mal Zeit

Einheit

Die SI-Einheit der Energie ist das Joule.

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

Größenordnungen

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

1 J = 1 Ws = 1 Nm: potentielle Energie, die beim Anheben einer Schokoladentafel (ca. 100 g) 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 = 1 kWh: Abrechungseinheit für Strom, Gas usw.
1 eV = 1,602 176 462(63) · 10^-19 J: Elektronvolt werden in der Elementarteilchenphysik verwendet.

Abgrenzung des Energie-Begriffes

Der hier formulierte physikalische Energiebegriff ist eine klar definierte physikalische Größe, die es erlaubt, zuverlässige Aussagen über das Verhalten physikalischer Systeme zu machen. Daneben werden umgangsprachlich (z.B. auch im Umfeld von Psychologie, Esoterik usw.) Energiebegriffe verwendet, die mit dem hier beschriebenen nichts gemein haben. Missverständnisse sind vorprogrammiert, wenn diese Energie-Begriffe vermischt werden.

Siehe auch

Energiemix

Weblinks

Umrechnung und Umwandlung von Energie-Maßen und Einheiten