Energie

Dieser Artikel befasst sich mit der physikalischen Grösse Energie, für weitere Bedeutungen siehe Energie (Begriffsklärung)

Einleitung

Energie E ist eine Zustandsgröße, die alle in einem physikalischen System gespeicherten Energieformen erfasst. Üblicherweise wird für die Energie das Formelzeichen E verwendet. Die Energie E eines Systems lässt sich selbst nicht messen, sie wird bestimmt mittels Berechnung oder durch die durch sie verrichtete Arbeit.

Der Begriff wurde von dem schottischen Physiker William John Macquorn Rankine im Jahr 1852 im heutigen Sinn in die Physik eingeführt und leitet sich aus dem Griechischen ab: εν = in und εργον = Werk, Arbeit. En-ergie ist also etwas, das in Arbeit umgewandelt werden kann. Vor 1852 wurde für die Energie der Begriff Kraft, in Deutschland auch „lebendige Kraft“, benutzt.

Energieformen

Bei den physikalischen Vorgängen treten viele verschiedene Energieformen auf, die hier zu vier Gruppen zusammengefasst sind. Da diese Einteilung willkürlich ist, gibt es Sammelbegriffe für Energieformen, die spezielle Energieformen aus unterschiedlichen Gruppen kombinieren. Energie ist, unabhängig von der Energieform, eine charakterisierende Größe für den Zustand eines Systems, eine so genannte Zustandsgröße.

Mechanische Energie

Die Energie eines mechanischen Systems kann immer als Summe von kinetischer und potenzieller Energie dargestellt werden. Die beiden Begriffe werden über die klassische Mechanik und die Quantenmechanik hinaus in fast allen Bereichen der Physik verwendet.

Kinetische Energie wird auch als Bewegungsenergie bezeichnet. Sie wird durch die Bewegung eines Körpers gegenüber seiner Umgebung und durch seine Masse bestimmt und setzt sich aus Translationsenergie und Rotationsenergie zusammen.
Potentielle Energie wird auch als Energie der Lage bezeichnet. In der Mechanik ist sie die Energie eines Körpers, die er durch seine Lage in einem Kraftfeld besitzt, zum Beispiel im Gravitationsfeld der Erde (Gravitationsenergie) oder, falls er elektrisch geladen ist, in einem elektrischen Feld.
Schwingungsenergie: Beim Pendel wechselt die potentielle Energie bei maximaler Auslenkung mit der gleich großen kinetischen Energie während des Durchgangs durch die Ruhelage ab. Über die Mechanik hinaus sind Schwingungen allgemein durch einen periodischen Wechsel zwischen zwei Energieformen charakterisiert.
Elastische Energie ist die potentielle Energie der aus ihrer Ruhelage verschobenen Atome oder Moleküle in einem elastisch deformierten Körper, beispielsweise einer mechanischen Feder. Allgemein bezeichnet man die Energie, die bei der elastischen oder plastischen Verformung in dem Körper gespeichert (oder freigesetzt) wird, als Deformations- oder Formänderungsenergie.
Schallenergie: Beim Schall schwingen die Atome in Folge der Elastizität eines Festkörpers oder der Kompression einer Flüssigkeit oder eines Gases im Takt der Frequenz zwischen der potenziellen Energie der Auslenkung aus ihrer Ruhelage und der kinetischen Energie beim Durchgang durch diese Ruhelage. Der Begriff akustische Energie bezieht sich sowohl auf den hörbaren Schall als auch auf alle ähnlichen, jedoch nicht mit dem menschlichen Ohr wahrnehmbaren akustischen Schwingungen.
Wellenenergie ist ein Sammelbegriff, der nicht nur auf die akustischen Wellen zutrifft, sondern auf alle räumlich ausgebreiteten Schwingungsphänomene wie z.B. Wasserwellen und elektromagnetische Wellen.

Thermische Energie

Thermische Energie ist die mechanische Energie der ungeordneten thermischen Bewegung der Atom oder Moleküle von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. Thermische Energie wird auch als Wärmeenergie, Wärmeinhalt und Wärmemenge bezeichnet. Sie ist von der Temperatur abhängig.

Die Summe aus thermischer Energie, Schwingungsenergie im Körper und Bindungsenergie heißt Innere Energie, ist also nicht allein der thermischen Energie zuordenbar.

Elektrische und magnetische Energie

Elektrische Energie ist als potenzielle Energie im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen gespeichert.
Magnetische Energie ist im magnetischen Feld enthalten.
Elektromagnetische Schwingungsenergie: Durch Induktion wechselt elektrische Energie im Takt der Frequenz mit magnetischer Energie. Dies findet in elektrischen Schwingkreisen statt, aber auch im Raum, in dem sich das elektromagnetische Feld ausbreitet. Dann spricht man von elektromagnetischer Strahlungsenergie oder Photonenenergie und speziell für den sichtbaren Frequenzbereich von Lichtenergie.

Bindungsenergie

Chemische Energie: Energie, die in der chemischen Bindung von Atomen oder Molekülen enthalten ist. Sie wird bei exothermen Reaktionen frei und muss für endotherme Reaktionen hinzugefügt werden.
Kernenergie: die Energie der Bindung der Protonen und Neutronen im Atomkern. Sie wird bei Kernreaktionen in die Bindungsenergie der Reaktionsprodukte, also neuer Atomkerne umgesetzt, und in verschiedene Arten von Strahlung.

Materie

Auch Elementarteilchen sind eine gebündelte Form der Energie (s. u.: Energie und Masse), so dass Alles, was ist, Energie ist.

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. Auch die Theorie unterstützt diese Überzeugung: In abgeschlossenen Systemen ist Energie eine Erhaltungsgröße.

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. Das gleiche gilt für Energieverbrauch, Energieverschwendung, Energiesparen und Energieverlust. In der Umgangssprache werden diese Worte oft mit moralischer Wertung für die Energieumwandlung verwendet. Weiterhin ist es 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, Windenergieanlage) 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.

Beispiele für Umwandlungen
Umwandlung zu->	Mechanische Energie	Thermische Energie	Strahlungsenergie	Elektrische Energie	Chemische Energie	Nukleare Energie
Mechanische Energie	Getriebe	Bremsen	Synchrotronstrahlung	Generator	Eischnee	Teilchenbeschleuniger
Thermische Energie	Dampfturbine	Wärmetauscher	Glühendes Metall	Thermoelement	Hochofen	Supernova
Strahlungsenergie	Radiometer	Solarkollektor	Nichtlineare Optik	Solarzelle	Fotosynthese
Elektrische Energie	Elektromotor	Elektroherd	Blitz	Transformator	Akkumulator
Chemische Energie	Muskel	Ölheizung	Glühwürmchen	Brennstoffzelle	Katalyse
Nukleare Energie	Alphastrahlen	Sonne	Gammastrahlen			Brutreaktor

Energieverbrauch

Mit dem Energieverbrauch wird die Nutzung von verschiedenen Energien in für Menschen gut verwendbaren Formen bezeichnet. Die von Menschen am stärksten benötigten Energieformen sind Wärmeenergie und Elektrizität. Die menschlichen Bedürfnisse richten sich vor allem auf die Bereiche Heizung, Nahrungszubereitung und den Betrieb von Einrichtungen und Maschinen zur Lebenserleichterung. Hierbei ist das Thema Fortbewegung und der Verbrauch z. B. fossiler Energieträger in Fahrzeugen nicht unerheblich.

Mit dem umgangssprachlichen Begriff: Energieverbrauch ist technisch ausgedrückt häufig die Freisetzung von Wärmeenergie in die Atmospäre gemeint. Unabhängig ob eine Energieeinheit in Form eines Holzstückes zu Heizzwecken oder zum Betrieb eines CD-Spielers zum Abhören einer CD angewendet wird, ist der „Verbrauch“ durch das Erreichen der untersten Energiestufe z. B. als Abwärme in die Umwelt gekennzeichnet.

Der Energieverbrauch ist weltweit sehr unterschiedlich und in den Industrieländern um ein vielfaches höher als z.B. in der dritten Welt. In hochentwickelten Ländern haben sich seit dem 19. Jahrhundert Unternehmen mit der Erzeugung und Bereitstellung von Energie für den allgemeinen Verbrauch beschäftigt. Hierbei steht die zentrale Erzeugung von elektrischer Energie sowie die Übertragung an die einzelnen Verbraucher im Vordergrund. Weiterhin ist die Beschaffung, der Transport und die Verwandlung von Brennmaterial zu Heizzwecken ein wichtiger Wirtschaftszweig.

Ca. 40 Prozent des weltweiten Energiebedarfes wird durch elektrische Energie gedeckt. Spitzenreiter im Verbrauch dieses Anteils sind mit ca. 20 Prozent elektrische Antriebe. Danach ist die Beleuchtung mit 19 Prozent, die Klimatechnik mit 16 Prozent und die Informationstechnik mit 14 Prozent am weltweiten elektrischen Energiebedarf beteiligt.

Energieträger

siehe auch Energieträger

Erschöpfliche Energieträger

Fossile Energieträger

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

(alles chemische Energie)

Kernbrennstoffe

Uran (Kernspaltung)
Plutonium (Kernspaltung)
Wasserstoff (Deuterium und Tritium in Kernfusionsreaktoren)

(alles Kernenergie)

Erneuerbare Energieträger

(siehe auch Erneuerbare Energie)

Bioenergie/Biomasse (chemische Energie)
Geothermie (thermische Energie)
Solarenergie (Strahlungsenergie)
Wasserkraft (potentielle und kinetische Energie)
Windenergie (kinetische Energie)

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, bei verschiedenen Experimenten der Elementarteilchenphysik und manchen Kapiteln der Astrophysik ist jedoch die mit Energieänderungen des Systems einhergehende Massendifferenz weit unterhalb der Messgenauigkeit.

Formeln

Potentielle Energie im Gravitationsfeld: $E_{pot}\approx m\cdot g\cdot h=F_{G}\cdot h$ ist gleich Gewichtskraft mal Höhe.

Diese Formel ist jedoch nur eine Näherung, genauer ist: $E_{pot}=mgh{\frac {R_{p}}{R_{p}+h}}$ , wobei $R_{p}$ der Radius des Himmelskörpers ist.

Potenzielle Energie einer gespannten Feder: $E_{pot}={1 \over 2}\cdot D\cdot s^{2}$ , wobei D die Federkonstante und s die Auslenkung der Feder aus der Ruhelage ist.

Elektrische Energie: $E=U\cdot I\cdot t$ , wobei U dieSpannung und I die Stromstärke ist.

Äquivalenz von Masse und Energie: $E={\frac {m_{0}\cdot c^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$ , wobei $m_{0}$ die Ruhemasse des Körpers und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Nach dem Welle-Teilchen-Dualismus ist Strahlungsenergie $E=h\cdot \nu$ , wobei h das Planck'sche Wirkungsquantum und $\nu$ die Frequenz ist.

Klassische kinetische Energie: $E_{kin}={\frac {1}{2}}\cdot m\cdot v^{2}$

Relativistische kinetische Energie: $E_{kin}=E-E_{0}={\frac {m_{0}\cdot c^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-m_{0}\cdot c^{2}=m_{0}c^{2}\left({\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-1\right)$

Arbeit (= Energie) $W=E=P\cdot t$ , wobei P die Leistung und t die Zeit ist.

Energie eines Erdbebens: $E=10^{{\frac {3}{2}}(M-2)}$ , wobei M die Magnitude auf der Richterskala ist und E die Einheit „Tonnen TNT“ besitzt.

Einheit

Die SI-Einheit der Energie ist das Joule.

1 J = 1 Nm = 1 Ws = 10⁷ erg = 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.
1,0·10⁷ J = 10000 kJ: ungefährer täglicher körperlicher Energiebedarf eines Menschen.
3,6·10⁶ J = 3600 kJ = 3600 kWs = 1 kWh: Abrechungseinheit für Strom, Gas usw.
2,9·10⁷ J = 8,141 kWh = 1 kg SKE: eine Steinkohleeinheit entspricht der Energiemenge, die beim Verbrennen von 1 kg Steinkohle frei wird. Dies ist ein gängiges Maß bei der Angabe von Primärenergie-Mengen. (1998 betrug der weltweite Primärenergie-Verbrauch 14,1 Gt SKE = 390·10¹⁸ J)
1 eV = 1,602 176 462(63) · 10^-19 J: Die Einheit Elektronvolt wird in der Elementarteilchenphysik verwendet. Ein Photon von rotem Licht hat eine Energie von ca 2 eV.

Ist es Energie, Kraft, Arbeit oder Leistung?

Wie werden diese physikalischen Begriffe richtig gebraucht? Lisa weiß es:

Sie sagt zur Mutter: „Ich habe schon so viel Kraft, um den schweren Einkaufskorb zu heben.“ „Ja“ sagt die Mutter, „willst Du ihn hochtragen?“ Lisa: „Diese Arbeit will ich gerne tun.“ Entschlossen läuft sie die Treppe hoch, aber ihre Schritte werden langsamer und langsamer. Für jede Stufe braucht sie mehr Zeit. „Die Leistung lässt nach.“ stellt Lisa fest. Und zu ihrem Bruder Peter an der Wohnungstür: „Bloß gut, dass wir im ersten und nicht im zehnten Stock wohnen. Sonst müsste ich ja zehn mal so viel Arbeit in den Einkaufskorb stecken. So viel Energie hab ich nicht.“

Was macht Peter falsch? Wie müsste er richtig sagen?

Peter prahlt: „Du Kleine hast ja kaum genug Kraft, um den Korb ein Stockwerk hochzutragen, gar nicht zu reden von zehn Stockwerken. Meine Leistung ist dagegen riesig, ich kann mein Fahrrad mit ausgestreckem Arm halten. Nicht lange mehr, und ich werde so viel Energie haben, dass Du mir auf das ausgestreckte Fahrrad auch noch einen Kartoffelsack und den Einkaufskorb draufpacken kannst, ohne dass ich einknicke. Ich gehe ab morgen ins Fittness-Studio zum Kraft-Training, damit ich zwei Körbe in zehn Sekunden dieses eine bisschen Stockwerk hochtragen kann. Erste Sahne, was?“

Siehe auch

Weblinks