Energie

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

Energie ist eine physikalische Zustandsgröße, die das in einem physikalischen System gespeicherte Potential für Arbeit angibt. 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. Energie ist also etwas, das in Arbeit umgewandelt werden kann. Energie ist also die Fähigkeit eines Körpers Arbeit zu verrichten. 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 Systems gegenüber eines anderen Systems 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 Systems, die es durch seine Lage in einem Kraftfeld besitzt, zum Beispiel im Gravitationsfeld der Erde.
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 Deformationsenergie.
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 auf alle akustische (teils nicht von Menschen wahrnehmbare) 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 und innere Energie

Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Thermische Energie wird umgangssprachlich oft auch fälschlicherweise als Wärmeenergie, Wärmeinhalt oder Wärmemenge bezeichnet. Die Erscheinungsformen der thermischen Energie werden durch die Thermodynamik beschrieben. Ein anschauliches Beispiel für die komplexen Abhängigkeiten der dabei zu beobachtenden physikalischen Phänomene ist das Schmelzen von Eis und das Entstehen von Wasserdampf aus Wasser durch Zufuhr von thermischer Energie.

Die Summe aus thermischer Energie, Schwingungsenergie im Körper und Bindungsenergie bezeichnet man als Innere Energie.

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

Materie

Masse und Energie sind äquivalent (Albert Einstein).

E=m\cdot c^{2}

Dies wird z.B. bei der Kernspaltung und der Kernfusion ausgenutzt. Außer bei Experimenten in der Elementarteilchenphysik und manchen Kapiteln der Astrophysik ist jedoch die mit Energieänderungen des Systems einhergehende Massendifferenz weit unterhalb der Messgenauigkeit. In vielen Bereichen der Physik rechnet man in natürlichen Einheiten ( $c\equiv 1,\hbar \equiv 1$ ), für Energie und Masse benutzt man die Einheit Elektronenvolt.

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.

In offenen Systemen hat die Energie Neigung, den zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig auszufüllen. Die dabei auftretenden und zu beobachtenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen zur Entropie, einer thermodynamischen Zustandsgröße mit dem gleichen Stellenwert wie die Energie.

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 Abwärme 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 Elektrizitätswerken wird elektrischer Strom 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 Energieumwandlungen
	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	Kernphotoeffekt
Elektrische Energie	Elektromotor	Elektroherd	Blitz	Transformator	Akkumulator
Chemische Energie	Muskel	Ölheizung	Glühwürmchen	Brennstoffzelle	Katalyse	Isomerieverschiebung
Nukleare Energie	schnelle Neutronen	Sonne	Gammastrahlen	Innere Konversion		Brutreaktor

Energieversorgung und -verbrauch

Mit Energieversorgung und -verbrauch wird die Nutzung von verschiedenen Energien in für Menschen gut verwendbaren Formen bezeichnet. Die von Menschen am häufigsten benutzten 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.

Die verschiedenen Energieträger können über Leitungen die Verbraucher erreichen, wie typischerweise elektrischer Energie, Erdgas, Fernwärme und Nahwärme, oder sie sind weitgehend lagerfähig und beliebig transportfähig, wie z.B. Steinkohle und Braunkohlen, Heizöle, Kraftstoffe (Benzine, Dieselkraftstoffe), Industriegase, Kernbrennstoffe (Uran), Biomassen (Holz u.a.).

Der Energieverbrauch ist weltweit sehr unterschiedlich und in den Industrieländern um ein vielfaches höher als z.B. in der dritten Welt. In industriell hoch entwickelten 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

Hauptartikel: 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)

Formeln

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

Diese Formel ist im Schwerefeld eines Himmelskörpers mit Radius $R_{p}$ nur eine Näherung, genauer ist: $E_{pot}=mgh{\frac {R_{p}}{R_{p}+h}}$ .

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.

Energie eines elektrischen Feldes: $E={\frac {Q^{2}}{2C}}$ , wobei Q die Ladung und C die Kapazität ist.

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

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

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

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

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.

Arbeit (Energieänderung) $W=\Delta E=\int P(t)dt$ , wobei P die Leistung und t die Zeit ist.

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.

Siehe auch

Weblinks