Energie

Physikalische Größe
Name	Energie
Formelzeichen	$E$
Größen- und Einheitensystem Einheit Dimension SI Joule (J) L2·M·T−2 cgs erg (erg) L2·M·T−2

Die Energie ist eine physikalische Größe, die in allen Teilgebieten der Physik sowie in der Technik, der Chemie, der Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle spielt. Ihre SI-Einheit ist das Joule.

In der theoretischen Physik wird Energie als diejenige Größe definiert, die aufgrund der Zeitinvarianz der Naturgesetze erhalten bleibt. Viele einführende Texte definieren Energie in anschaulicherer, allerdings nicht allgemeingültiger Form als Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten.

Energie ist nötig, um einen Körper zu beschleunigen oder um ihn entgegen einer Kraft zu bewegen, um eine Substanz zu erwärmen, um ein Gas zusammenzudrücken, um elektrischen Strom fließen zu lassen oder um elektromagnetische Wellen abzustrahlen. Pflanzen, Tiere und Menschen benötigen Energie, um leben zu können. Energie benötigt man auch für den Betrieb von Computersystemen, für Telekommunikation und für jegliche wirtschaftliche Produktion.

Energie kann in verschiedenen Energieformen vorkommen. Hierzu gehören beispielsweise potentielle Energie, kinetische Energie, chemische Energie oder thermische Energie. Energie lässt sich in verschiedene Energieformen umwandeln. Dabei kann die Gesamtenergie innerhalb eines abgeschlossenen Systems aufgrund der Energieerhaltung weder vermehrt noch vermindert werden. Weiterhin setzt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik der Umwandelbarkeit prinzipielle Grenzen, insbesondere ist thermische Energie nur eingeschränkt in andere Energieformen umwandelbar und zwischen Systemen übertragbar.

Über die hamiltonschen Bewegungsgleichungen bzw. die Schrödinger-Gleichung bestimmt Energie die zeitliche Entwicklung physikalischer Systeme. Gemäß der Relativitätstheorie sind Energie und Masse durch die Formel $E=mc^{2}$ verknüpft.

Geschichte des Begriffs

Viele Denker befassten sich mit der Umwandlung von kinetischer in mechanische Energie bei einer Pendelschwingung (unter anderem Galileo Galilei, Christiaan Huygens, Evangelista Torricelli und Gottfried Wilhelm Leibniz). Die Denker fanden heraus, dass kinetische und potentielle Energie eine identische Größe haben mussten.

Leibniz – und später auch Immanuel Kant - formulierte das Prinzip von der Erhaltung der Kraft. Die Bezeichnung Energie geht wohl auf Thomas Young zurück, der um 1800 für Energie noch einen rein mechanischen Zusammenhang gebrauchte.

Nicolas Léonard Sadi Carnot

Im Zusammenhang mit der Dampfmaschine entwickelte sich die Vorstellung, dass Wärmeenergie bei vielen Prozessen die Ursache für eine bewegende Energie, oder mechanische Arbeit verantwortlich ist. Ausgangspunkt war das Wasser durch Hitze in den gasförmigen Zustand überführt wird und die Gasausdehnung genutzt wird, um einen Kolben in einem Zylinder zu bewegen. Durch die Kraftbewegung des Kolbens vermindert sich die gespeicherte Wärmeenergie des Wasserdampfes.

Der Physiker Nicolas Carnot erkannte, dass beim Verrichten von mechanischer Arbeit eine Volumenänderung des Dampfs nötig ist. Außerdem fand er heraus, das die Abkühlung des heißen Wassers in der Dampfmaschine nicht nur durch Wärmeleitung erfolgt. Diese Erkenntnisse veröffentlichte Carnot 1824 in einer viel beachteten Schrift, über das Funktionsprinzip der Dampfmaschine. Benoît Clapeyron brachte 1834 Carnots Erkenntnisse in eine mathematische Form und entwickelte die noch heute verwendete graphische Darstellung des Carnot-Kreisprozesses.

1841 veröffentlichte der deutsche Arzt Julius Robert Mayer seine Idee, dass Energie weder erschaffen noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden kann. Er schrieb an einen Freund: „Meine Behauptung ist ...: Fallkraft, Bewegung, Wärme, Licht, Elektrizität und chemische Differenz der Ponderabilen sind ein und dasselbe Objekt in verschieden Erscheinungsformen.“Die Wärmemenge, die bei einer Dampfmaschine verloren gegangen ist, entspreche genau der mechanischen Arbeit, die die Maschine leistet. Dies ist heute bekannt als "Energieerhaltung", oder auch "Erster Hauptatz der Thermodynamik".

Hermann von Helmholtz

Der Physiker Rudolf Clausius verbesserte im Jahr 1854 die Vorstellungen über die Energieumwandlung. Er zeigte, dass nur ein Teil der Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Ein Körper bei dem die Temperatur konstant bleibt, kann keine mechanische Arbeit leisten. Clausius entwickelte den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und führte den Begriff der Entropie ein. Nach dem zweiten Hauptsatz ist es unmöglich, das Wärme von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergeht.

Hermann von Helmholtz formulierte im Jahr 1847 das Prinzip „über die Erhaltung Kraft“ und der Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobiles (perpetus, lat. ewig; mobilis, lat.: beweglich) 1. Art. Viele Erfinder wollten damals noch Maschinen herstellen, die mehr Energie erzeugten als hineingesteckt wurde. Helmholtz fand seine Erkenntnisse durch Arbeiten mit elektrischer Energie aus galvanischen Elementen, insbesondere einer Zink/Brom-Zelle. In späteren Jahren verknüpfte er die Entropie und die Wärmeentwicklung einer chemischen Umwandlung zur Freien Energie.

Josiah Gibbs kam im Jahr 1878 zu ähnlichen Erkenntnissen bei elektrochemischen Zellen. Chemische Reaktionen laufen nur ab, wenn die Freie Energie negativ wird. Mittels der Freien Energie lässt sich voraussagen, ob eine chemische Stoffumwandlung überhaupt möglich ist oder wie sich das chemische Gleichgewicht einer Reaktion bei einer Temperaturänderung verhält.

Das Wort Energie wurde 1852 von dem schottischen Physiker William Rankine im heutigen Sinn in die Physik eingeführt. Er leitete es aus dem Griechischen ab: ἐν = in, innen und ἔργον = Werk, Wirken. Damit gelang eine eine saubere Abgrenzung zum Begriff der Kraft.

Aufbauend auf Überlegungen von Wilhelm Wien (1900), Max Abraham (1902), und Hendrik Lorentz (1904) veröffentlichte Albert Einstein 1905 die Erkenntnis, dass Masse und Energie äquivalent sind.

Energieformen und Energieumwandlung

→ Hauptartikel Energiewandler

Dampfmaschinen wandeln Wärme in mechanische Energie.

Ein Fahrraddynamo wandelt mechanische Energie in elektrische Energie.

Ein Feuer wandelt chemische Energie in Wärme.

Energie kann in einem System auf unterschiedliche Weise enthalten sein. Diese Möglichkeiten werden Energieformen genannt. Beispiele für Energieformen sind die kinetische Energie, die chemische Energie, die elektrische Energie oder die potentielle Energie. Verschiedene Energieformen können ineinander umgewandelt werden, wobei die Summe der Energiemengen über die verschiedenen Energieformen vor und nach der Energieumwandlung stets die gleiche ist.

Eine Umwandlung kann nur so erfolgen, dass auch alle anderen Erhaltungsgrößen des Systems vor und nach der Umwandlung den gleichen Wert besitzen. Das betrifft den Impuls und den Drehimpuls des Systems. Diese beiden Erhaltungsgrößen schränken die Umwandlung kinetischer Energie ein. Ein Kreisel kann nur dann abgebremst werden und damit Energie verlieren, wenn er gleichzeitig Drehimpuls abgibt. Auch auf molekularer Ebene sind diese Einschränkungen wirksam. Viele chemische Reaktionen, die energetisch möglich wären, laufen nicht spontan ab, weil sie die Impulserhaltung verletzen würden. Weitere Erhaltungsgrößen sind die Zahl der Baryonen und die Zahl der Leptonen. Sie schränken die Umwandlung von Energie durch Kernreaktionen ein. Die Energie, die in der Masse von Materie steckt lässt sich nur mit einer gleich großen Menge von Antimaterie vollständig in eine andere Energieform wandeln. Ohne Antimaterie gelingt die Umwandlung mit Hilfe von Kernspaltung oder Kernfusion nur zu einem kleinen Teil.

Die Thermodynamik gibt mit dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik eine weitere Bedingung für eine Umwandlung vor: Die Entropie eines abgeschlossenen Systems kann nicht abnehmen. Entnahme von Wärme, ohne dass parallel andere Prozesse ablaufen, bedeutet eine Abkühlung. Eine niedrigere Temperatur entspricht jedoch einer verminderten Entropie und steht damit im Widerspruch zum zweiten Hauptsatz. Um dennoch Wärme in eine andere Energieform umzuwandeln, muss im Gegenzug zur Abkühlung ein anderer Teil des System erwärmt werden. Die Umwandlung von thermischer Energie in andere Energieformen setzt daher immer eine Temperaturdifferenz voraus. Außerdem kann nicht die gesamte über die Temperaturdifferenz gespeicherte Wärmemenge umgesetzt werden. Wärmekraftmaschinen dienen dazu Wärme in mechanische Energie umzuwandeln. Das Verhältnis der durch den zweiten Hauptsatz gegebenen maximal möglichen Arbeit zur verbrauchten Wärmemenge wird Carnot-Wirkungsgrad genannt. Er ist umso größer, je größer die Temperaturdifferenz ist, mit der die Wärmekraftmaschine arbeitet. Für eine Dampfmaschine, deren Dampf auf 350 °C erhitzt wird und auf der anderen Seite bei Raumtemperatur kondensiert wird, liegt der Carnot-Wirkungsgrad bei $\eta =0,52$.

Andere Umwandlungen sind nicht so stark von den Einschränkungen durch Erhaltungssätze und Thermodynamik betroffen. So lässt sich elektrische Energie mit wenig technischem Aufwand nahezu vollständig in viele andere Energieformen überführen. Elektromotoren wandeln sie beispielsweise in kinetische Energie um.

Die meisten Umwandlungen erfolgen nicht vollständig in eine einzige Energieform, sondern es wird ein Teil der Energie in Wärme gewandelt. Da diese Wärme häufig technisch nicht mehr weiter nutzbar ist, wird sie als Verlust bezeichnet. In mechanischen Anwendungen wird die Wärme meist durch Reibung erzeugt. Bei elektrischen Anwendungen sind häufig der elektrische Widerstand oder Wirbelströme die Ursache für die Erzeugung von Wärme. Im Zusammenhang mit elektrischem Strom kann auch die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen als unerwünschter Verlust auftreten. Das Verhältnis zwischen erfolgreich umgewandelter Energie und eingesetzter Energie wird Wirkungsgrad genannt.

Bei technischen Anwendungen wird häufig eine Reihe von Energiewandlungen gekoppelt. In einem Kohlekraftwerk wird zunächst die chemische Energie der Kohle durch Verbrennung in Wärme umgesetzt und auf Wasserdampf übertragen. Turbinen wandeln die Wärme des Dampfs in mechanische Energie. Die Turbinen wiederum treiben Generatoren an, die die mechanische Energie in elektrische Energie wandeln.

Energie in der klassischen Mechanik

In der klassischen Mechanik ist die Energie eines Systems seine Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Die Arbeit wandelt Energie zwischen verschiedenen Energieformen um. Die spezielle Form der newtonschen Gesetze gewährleistet, dass sich dabei die Summe aller Energien nicht ändert. Reibung und die mit ihr einhergehenden Energieverluste sind in dieser Betrachtung nicht berücksichtigt.

Das Noether-Theorem erlaubt eine allgemeinere Definition der Energie, die den Aspekt der Energieerhaltung automatisch berücksichtigt. Alle Naturgesetze der klassischen Mechanik sind invariant in Bezug auf Verschiebungen in der Zeit. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie zu allen Zeiten unverändert in der gleichen Form gelten. Das Noether-Theorem besagt nun, dass es zu dieser Symmetrie in Bezug auf Verschiebung in der Zeit eine physikalische Größe gibt, deren Wert sich nicht mit der Zeit verändert. Diese Größe ist die Energie.

Aus dem Energierhaltungssatz und unvermeidlichen Energieverlusten durch Reibung folgt, dass es unmöglich ist, eine mechanische Maschine zu bauen, die von sich aus beliebig lange läuft (Perpetuum Mobile). Außerdem erlaubt die Energieerhaltung zusammen mit der Impulserhaltung Aussagen über das Ergebnis von Stößen zwischen Objekten, ohne dass der genaue Mechanismus beim Stoß bekannt sein muss.

Energie und Bewegung

Die kinetische Energie ist diejenige Energie, die dem Bewegungszustand eines Körpers innewohnt. Sie ist proportional zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit relativ zu dem Inertialsystem, in dem man den Körper beschreibt. Der Betrag der kinetischen Energie ist also von dem Standpunkt abhängig, von dem aus man das System beschreibt. Häufig verwendet man ein Inertialsystem, das in Bezug auf den Erdboden ruht.

Ein ausgedehnter Körper kann neben einer Translationsbewegung auch eine Drehbewegung durchführen. Die kinetische Energie, die in der Drehbewegung steckt, nennt man Rotationsenergie. Diese ist proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit und zum Trägheitsmoment des Körpers.

Energie und Potential

Potentielle Energie, auch Lageenergie genannt, kommt einem Körper durch seine Lage in einem Kraftfeld zu, sofern es sich um eine konservative Kraft handelt. Dies könnte beispielsweise das Erdschwerefeld oder das Kraftfeld einer Feder sein. Die potentielle Energie nimmt in Kraftrichtung ab und entgegen der Kraftrichtung zu, senkrecht zur Kraftrichtung ist sie konstant. Bewegt sich der Körper von einem Punkt, an dem er eine hohe potentielle Energie hat, zu einem Punkt, an dem er diese geringer ist, leistet er genau so viel physikalische Arbeit, wie sich seine potentielle Energie vermindert hat. Diese Aussage gilt unabhängig davon, auf welchem Weg der Körper vom einen zum anderen Punkt gelangt ist.

Bei periodischen Bewegungen wird regelmäßig potentielle in kinetische Energie und wieder zurück in potentielle Energie verwandelt. Beim Pendel ist beispielsweise an den Umkehrpunkten die potentielle Energie maximal; die kinetische Energie ist hier Null. Wenn der Faden gerade senkrecht hängt, erreicht die Masse ihre maximale Geschwindigkeit und damit auch ihre maximale kinetische Energie; die potentielle Energie hat hier ein Minimum. Ein Planet hat bei seinem sonnenfernsten Punkt zwar die höchste potentielle, aber auch die geringste kinetische Energie. Bis zum sonnennächsten Punkt erhöht sich seine Bahngeschwindigkeit gerade so sehr, dass die Zunahme der kinetischen Energie die Abnahme der potentiellen Energie genau kompensiert.

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.

Energie in der Elektrodynamik

• Elektrische Energie ist u. a. als potenzielle Energie im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen (zum Beispiel in Kondensatoren) gespeichert. Die speicherbaren Mengen sind jedoch erheblich zu gering für Energiespeicher in der Energieversorgung. In Kraftwerken wird sie daher zum Beispiel aus Wärmeenergie über Stromleitungen zu den Verbrauchern transportiert und bei den Verbrauchern in andere Energieformen umgewandelt (Mechanische Arbeit, Licht, Wärme).
• Magnetische Energie ist in magnetischen Feldern wie im Supraleitenden Magnetischen Energiespeicher enthalten.

In einem idealen elektrischen Schwingkreis gespeicherte Energie wandelt sich fortlaufend zwischen der elektrischen Form und der magnetischen Form. Zu jedem Zeitpunkt ist die Summe der Teilenergien gleich (Energieerhaltung). Hierbei hat der reine magnetische respektive elektrische Anteil der Energie die doppelte Frequenz der elektrischen Schwingung.

Energie in der Thermodynamik und in der Chemie

Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. 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.

Thermische Energie wird umgangssprachlich oft auch fälschlicherweise als „Wärmeenergie“ oder „Wärmeinhalt“ bezeichnet. Die Wärme Q ist in der Thermodynamik die über eine Systemgrenze hinweg transportierte thermische Energie, „Wärmemenge“ ist ein gebräuchliches Synonym dafür.

Energie, welche in der chemischen Bindung von Atomen oder Molekülen enthalten ist, wird chemische Energie genannt. Sie wird bei exothermen Reaktionen frei und muss für endotherme Reaktionen hinzugefügt werden.

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

Energie in der Relativitätstheorie

Nach der speziellen Relativitätstheorie entspricht der Masse $m$ eines ruhenden Objekt eine Ruheenergie von

$E_{\text{Ruhe}}=m\,c^{2}\,,$ .

Die Ruheenergie ist also bis auf den Faktor $c^{2}$, das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit $c\,,$ der Masse äquivalent. Die Ruheenergie kann bei bestimmten Vorgängen in andere Energieformen umgewandelt werden und umgekehrt. So haben die Reaktionsprodukte der Kernspaltung und der Kernfusion messbar niedrigere Massen als die Ausgangsstoffe. In der Elementarteilchenphysik wird umgekehrt auch die Erzeugung von Teilchen und damit von Ruheenergie aus anderen Energieformen beobachtet.

In der klassischen Mechanik wird die Ruheenergie nicht mitgerechnet, da sie ohne Belang ist, solange sich Teilchen nicht in andere Teilchen umwandeln.

Energie in der Quantenmechanik

In der Quantenmechanik bestimmt der Hamiltonoperator welche Energie an einem physikalischen System gemessen werden kann.

Eine elektromagnetischen Welle kann nur in bestimmten Mengen $E_{\text{photon}}$ Energie abgeben. Diese Menge ist proportional zur Frequenz $\nu$ der Welle und zum Planckschen Wirkungsquantum:

$E_{\text{photon}}=h\nu$.

Die Kernenergie ist die 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.

Technische Nutzung der Energie

Grundsätzlich ist eine Energieerzeugung schon aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Der Begriff wird im Wirtschaftsleben aber dennoch verwendet, um die Erzeugung einer bestimmten Energieform (zum Beispiel elektrischer Strom) aus einer anderen Form (zum Beispiel chemischer Energie in Form von Kohle) auszudrücken. Analog gibt es im strengen physikalischen Sinne auch keinen Energieverbrauch, wirtschaftlich gemeint ist damit aber der Übergang von einer gut nutzbaren Primärenergie (zum Beispiel Erdöl, Gas, Kohle etc.) in eine nicht mehr weiter nutzbare Energieform (zum Beispiel Abwärme in der Umwelt). Vom Energiesparen ist die Rede, wenn effizientere Prozesse gefunden werden, die weniger Primärenergie für denselben Zweck benötigen, oder anderweitig, zum Beispiel durch Konsumverzicht, der Primärenergieeinsatz reduziert wird.

Die Physik beschreibt die oben salopp eingeführte "technische Nutzbarkeit" einer Energie mit dem exakten Begriff der Entropie. Während in einem abgeschlossenen System die Energie stets erhalten bleibt, nimmt die Entropie mit der Zeit stets zu oder bleibt bestenfalls konstant. Je höher die Entropie, desto schlechter nutzbar ist die Energie. Statt von Entropiezunahme kann man anschaulich auch von Energieentwertung sprechen.

Das Gesetz der Entropiezunahme verhindert insbesondere, Wärmeenergie direkt in Bewegungsenergie oder elektrischen Strom umzuwandeln. Stattdessen sind immer eine Wärmequelle und eine Wärmesenke (= Kühlung) erforderlich. Der maximale Wirkungsgrad kann gemäß Carnot aus der Temperaturdifferenz berechnet werden.

Im optimalen Fall ist eine Energieumwandlung ohne oder ohne nennenswerte Entropiezunahme möglich; die Physiker sprechen dann von reversiblen Prozessen. Als Beispiel sei ein Satellit auf einer elliptischen Umlaufbahn um die Erde genannt: Am höchsten Punkt der Bahn hat er hohe potentielle Energie und geringe kinetische Energie, am niedrigsten Punkt der Bahn ist es genau umgekehrt. Die Umwandlung kann hier ohne nennenswerte Verluste 1000fach im Jahr erfolgen. In supraleitenden Resonatoren kann Energie millionen- oder gar milliardenfach pro Sekunde zwischen Strahlungsenergie und elektrischer Energie hin- und hergewandelt werden, ebenfalls mit Verlusten von weniger als einem Promille pro Umwandlung.

Bei vielen Prozessen, die in der Vergangenheit noch mit hohen Verlusten ergo erheblicher Entropiezunahme verbunden waren, ermöglicht der technologische Fortschritt zunehmend geringere Verluste. So verwandelt eine Energiesparlampe oder LED Strom wesentlich effizienter in Licht als eine Glühbirne. Eine Wärmepumpe erzeugt durch Nutzung von Wärme aus der Umwelt aus einer bestimmten Menge Strom oft vielfach mehr Wärme als ein herkömmliches Elektroheizgerät aus derselben Menge. In anderen Bereichen liegt der Stand Technik aber schon seit geraumer Zeit nah am theoretischen Maximum, so dass hier nur noch kleine Fortschritte möglich sind. So verwandeln gute Elektromotoren über 90 Prozent des eingespeisten Stroms in nutzbare mechanische Energie und nur einen kleinen Teil in nutzlose Wärme.

Energiesparen bedeutet somit im physikalischen Sinn, die Energieentwertung bzw. Entropiezunahme bei der Energieumwandlung oder Energienutzung zu minimieren.

Spezifische Energie

Spezifisch heißt in den Naturwissenschaften „auf eine bestimmte Bemessungsgrundlage bezogen“ (Bezogene Größe). Die spezifische Energie wird auf gewisse Eigenschaft eines Systems bezogen, das durch eine physikalische Größe beschrieben werden kann. Nach DIN 5485 ist die spezifische Energie speziell massenbezogen, und die volumetrische Energiedichte die dimensional bezogene Bezeichnung.

Beispiele:

• Energie je Volumen in J/m³ (Dimension $ML^{-1}T^{-2}$): Enthalpie (Thermodynamik), spezifische latente Wärme: Schmelzwärme, Verdampfungswärme, Kristallisationswärme bzw. die entsprechenden Enthalpien (Materialkunde), Brennwert und Heizwert (Energietechnik), spezifische Verdichtungsenergie (Materialkunde), spezifische Energie von Sprengstoff
• Energie je Masse in J/kg (Dimension $L^{2}T^{-2}$): spezifische Arbeit, spezifische latente Wärme (Thermodynamik), Brennwert und Heizwert fester Brennstoffe, spezifische Energie des Energiespeichers (Energietechnik), Elektrische Kapazität und Energiedichte des Plattenkondensators (Elektrotechnik), spezifische Energie des Massenpunkts (Mechanik)

nicht als spezifisch, sondern als molar bezeichnet die Thermodynamik und Chemie stoffbezogene Energiewerte:

• Energie je Stoffmenge in J/Mol (Dimension $ML^{2}T^{-2}N^{-1}$): molare latente Wärme (Thermodynamik)

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 zum Beispiel fossiler Energiequellen 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 zum Beispiel 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 zum Beispiel 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.

Energiequellen

→ Hauptartikel: Energiequellen

Einheiten

Neben der SI-Einheit Joule waren und sind je nach Anwendungsgebiet noch andere Energieeinheiten in Gebrauch. Wattsekunde (Ws) und Voltamperesekunde (VAs) sind mit dem Joule identisch. Ebenfalls mit dem Joule identisch ist das Newtonmeter (Nm). Da das Newtonmeter aber die SI-Einheit für das Drehmoment ist, wird es nur selten zur Angabe von Energien verwendet.

Das Elektronenvolt (eV) wird in der Atomphysik, der Kernphysik und der Elementarteilchenphysik zur Angabe von Teilchenenergien und Energieniveaus verwendet. Seltener kommt in der Atomphysik das Rydberg vor. Die cgs-Einheit erg wird häufig in der theoretischen Physik benutzt.

Die Kalorie war in der Kalorimetrie üblich und wird heute noch zur Angabe des Physiologischen Brennwertes von Nahrungsmitteln verwendet. In Kilowattstunden (kWh) messen Energieversorger die Menge der an die Kunden gelieferten Energie. Die Steinkohleeinheit und die Öleinheit dienen zur Angabe des Energieinhaltes von Primärenergieträgern. Mit dem TNT-Äquivalent misst man die Sprengkraft von Sprengstoffen.

Größenordnungen

→ Hauptartikel: Größenordnung (Energie)

Energie ist eine Größe, die auch im Alltag einen um viele Größenordnungen unterschiedlichen Wert annehmen kann. Beispiele sind:

1 J = 1 Ws = 1 Nm

potentielle Energie, die beim Anheben einer Schokoladentafel (ca. 100 g) um 1 Meter in dieser gespeichert wird.

3,6·10⁶ J = 3600 kJ = 3600 kWs = 1 kWh

Abrechungseinheit für Strom, Gas usw. Ein Europäischer Privathaushalt benötigt pro Jahr ca. 2000–4000 kWh an elektrischer Energie, wenn nicht mit Strom geheizt wird.

2,9·10⁷ J = 8,141 kWh = 1 kg SKE

eine Steinkohleeinheit entspricht der Energiemenge, die beim Verbrennen von 1 kg Steinkohle umgewandelt wird. Dies ist ein gängiges Maß bei der Angabe von Primärenergie-Mengen. (1998 betrug der weltweite Primärenergie-Umsatz 14,1 Gt SKE = 390·10¹⁸ J)

1 eV = 1,602 176 462(63) · 10^-19 J

Die Einheit Elektronvolt wird unter anderem in der Festkörper-, Kern- und Elementarteilchenphysik verwendet. Ein Photon von violettem Licht hat eine Energie von ca. 3 eV, eines von rotem ca. 1,75 eV.

Formeln

• Potentielle Energie eines Teilchens der Masse $m$ in einem homogenen Gravitationsfeld mit Gravitationsbeschleunigung $g$

$E_{\text{pot}}=m\,g\,h\,.$

• Potentielle Energie einer gespannten Feder (daher auch Spannenergie genannt):

$E_{\text{pot}}={1 \over 2}\,D\,s^{2}\,,$

wobei D die Federkonstante und s die Auslenkung der Feder aus der Ruhelage ist.

• Energie eines geladenen Plattenkondensators:

$E_{\text{Plattenkondensator}}={\frac {Q^{2}}{2C}}={\frac {C\,U^{2}}{2}}\,,$

wobei Q die Ladung, C die Kapazität und U die Elektrische Spannung ist.

• Kinetische Energie eines Teilchens der Masse $m$ mit Geschwindigkeit $v$ in Newtons Mechanik:

$E_{\text{kin}}={\frac {1}{2}}\,m\,v^{2}\,.$

• Relativistische Energie eines freien Teilchens der Masse $m$ mit Geschwindigkeit $v$:

$E_{\text{relativistisch}}={\frac {m\,c^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}$

wobei $c$ die Lichtgeschwindigkeit ist.

• Energie von Lichtquanten (Photonen)

$E_{\text{Photon}}=h\,f\,,$

wobei h das Planck’sche Wirkungsquantum und $f$ die Frequenz ist.

• Energie eines Erdbebens:

$E_{\text{Erdbeben}}=10^{{\frac {3}{2}}(M-2)}$ Tonnen TNT,

wobei M die Magnitude auf der Richterskala ist.

• Arbeit (Energieänderung) ist Kraft mal Weg

$W=\int \mathbf {F} \,\mathrm {d} \mathbf {x} \,.$

Literatur

• M. Jammer: Energy, in: Donald M. Borchert (Hg.): Encyclopedia of Philosophy, Thomson Gale 2. A. 2005, Bd. 3, 225–234
• Marc Lange: Energy (Addendum), in: Donald M. Borchert (Hg.): Encyclopedia of Philosophy, Thomson Gale 2. A. 2005, Bd. 3, 234–237
• Technologien für das 21. Jahrhundert: Energieversorgung für die Zukunft, S.203 - 297, F. A. Brockhaus GmbH, Leipzig - Mannheim 2000, ISBN 3-7653-7945-x
• Die Zukunft unseres Planeten: Der Energiemix fürs 21. Jahrhundert, S. 274 - 395, ISBN 3-7653-7946-8

Siehe auch

Wikiquote: Energie – Zitate

Weblinks

Wiktionary: Energie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Energie - Materialien bei "Welt der Physik"
• Energiedaten - nationale und internationale Entwicklung, hg. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
• Rudolf Eisler: Energie, in: Wörterbuch der philosophischen Begriffe, 1904.