Lexikon: Energie

 

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Energie ist eine Physik|physikalische Zustandsgröße. Üblicherweise wird für die Energie das 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 Schottland|schottischen Physiker William John Macquorn Rankine im Jahr 1852 im heutigen Sinn in die Physik eingeführt und leitet sich aus dem Griechische Sprache|Griechischen ab: εν = in und εργον = Werk, Arbeit. Energie ist also etwas, das in Arbeit umgewandelt werden kann. Energie ist also die Fähigkeit eines Körper (Physik)|Körpers Arbeit (Physik)|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 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.
  • Elastisch (Physik)|Elastische Energie ist die potentielle Energie der aus ihrer Ruhelage verschobenen Atome oder Moleküle in einem Elastizität|elastisch deformierten Körper, beispielsweise einer mechanischen Feder (Technik)|Feder. Allgemein bezeichnet man die Energie, die bei der elastischen oder Plastizität|plastischen Verformung in dem Körper gespeichert (oder freigesetzt) wird, als Deformationsenergie.
  • Schallenergie: Beim schwingen die Atome in Folge der Elastizität eines Festkörpers oder der Verdichtung|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 Akustik|akustische Energie bezieht sich auf alle akustische (teils nicht von Menschen wahrnehmbare) Schwingungen.
  • Welle (Physik)|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 e oder e eines Stoff (Chemie)|Stoffes gespeichert ist. Thermische Energie wird Umgangssprache|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 Physik|physikalischen Phänomene ist das Schmelzen von Eis und das Entstehen von aus durch Zufuhr von thermischer Energie.

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

Elektrische und magnetische Energie

  • Elektrizität|Elektrische Energie ist als potenzielle Energie im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen gespeichert.
  • Magnetismus|Magnetische Energie ist im magnetischen Feld enthalten.
  • Elektromagnetismus|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 Energie#Formeln|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 en frei und muss für endotherme en 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 .

Materie

Masse (Physik)|Masse und Energie sind Äquivalenz von Masse und Energie|äquivalent (Albert Einstein).

E = m \cdot c^2

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

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 Noether-Theorem|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 Thermodynamik|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 (Physik)|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 und Wärme aus elektrischer Energie über einen elektrischer Widerstand|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 en (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 Gravitation|Schwerefeld der Erde, also bergauf, in potentielle Energie oder über Reibung in Wärmeenergie oder akustische Energie umgewandelt.

In en 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 , , , 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 Ölheizung Glühwürmchen Brennstoffzelle Isomerieverschiebung
Nukleare Energie schnelle Neutronen 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 . Die menschlichen Bedürfnisse richten sich vor allem auf die Bereiche , szubereitung 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, , Fernwärme und Nahwärme, oder sie sind weitgehend lagerfähig und beliebig transportfähig, wie z.B. Steinkohle und Braunkohlen, Heizöle, Kraftstoffe (Benzine, Dieselkraftstoffe), Industriegase, Kernbrennstoffe (), Biomassen ( u.a.).

Der Weltenergieverbrauch|Energieverbrauch ist weltweit sehr unterschiedlich und in den n um ein vielfaches höher als z.B. in der Dritte Welt|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.

(*) Energie kann nicht im eigentlichen Sinne verbraucht werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. (Energieerhaltungssatz)

Energieträger

Hauptartikel: Energieträger

Erschöpfliche Energieträger

Fossile Energie|Fossile Energieträger

  • (Steinkohle, Braunkohle)
  • Ölsande/Ölschiefer
  • Gashydrat (noch ungenutzt auf dem Meeresboden)

(alles chemische Energie)

Kernbrennstoffe

  • (Kernspaltung)
  • Plutonium (Kernspaltung)
  • (Deuterium und Tritium in Kernfusionsreaktor|Kernfusionsreaktoren)

(alles Kernenergie)

Erneuerbare Energieträger

(siehe auch Erneuerbare Energie)

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

Formeln

  • Potenzielle_Energie#Potenzielle_Energie_in_einem_Gravitationsfeld|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#Potenzielle_Energie_einer_gespannten_Feder|Potenzielle Energie einer gespannten Feder (Technik)|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.
  • Elektrisches_Feld#Die_Energie_des_elektrischen_Feldes|Energie eines elektrischen Feldes: E = \frac{Q^2}{2C}, wobei Q die Ladung (Physik)#Elektrische Ladung|Ladung und C die elektrische Kapazität|Kapazität ist.
  • Äquivalenz von Masse und Energie: E = m c^2 = \frac{m_0 \cdot c^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}, wobei m_0 die Ruhemasse des Körpers und c die ist.
  • Nach dem Welle-Teilchen-Dualismus ist Strahlungsenergie E = h \cdot f , wobei h das Wirkungsquantum|Planck'sche Wirkungsquantum und f die 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 (Physik)|Arbeit (Energieänderung) W = \Delta E = \int P(t)dt , wobei P die Leistung (Physik)|Leistung und t die ist.

Maßeinheit|Einheit

Die SI-Einheitensystem|SI-Einheit der Energie ist das Joule (Einheit)|Joule.

1 J = 1 Nm = 1 Ws = 107 Erg|erg = 0,2388 Kalorie|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 violettem hat eine Energie von ca 3 eV, eines von rotem ca. 1,75 eV.

Siehe auch

  • Energieeinsparung
  • Energiemix
  • Nutzpflanzen#Energie und Kraftstoffe liefernde Pflanzen

Weblinks


Kategorie:Physik Kategorie:Erneuerbare Energie

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