Energie


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 Dieser Artikel befasst sich mit der physikalischen Größe Energie; zu weiteren Bedeutungen siehe Energie (Begriffsklärung).
Physikalische Größe
Name Energie
Formelzeichen der Größe E - gr. εν εργον'
Größen- und
Einheitensystem		 Einheit Dimension
SI Joule (J) L2•M•T−2
CGS erg (erg) L2•M•T−2
Siehe auch: Energie (Begriffsklärung)

Die Energie ist eine physikalische Größe. Ihre SI-Einheit ist das Joule.

Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems ist eine Erhaltungsgröße. Der Energieerhaltungssatz ist eine der zentralen Grundlagen der Physik und sorgt dafür, dass die Energie für alle Gebiete der Physik eine maßgebliche Größe ist.

Je nach den Beziehungen zu anderen Größen in einem gegebenen System werden verschiedene Energieformen unterschieden, zum Beispiel die kinetische Energie Ekin, die mit der Masse m und der Geschwindigkeit v im Zusammenhang E_{\mathrm{kin}} = \tfrac{1}{2} m v^2 steht. Im Kontext der Thermodynamik sind einige Energieformen, wie die innere Energie, thermodynamische Zustandsgrößen. Sie beschreiben nur den momentanen Zustand eines physikalischen Systems. In Unterscheidung dazu sind andere Energieformen, wie die Arbeit, Prozessgrößen, welche die Änderungen der Zustände beschreiben.

Eine verbreitete aber veraltete[1] Definition der Energie charakterisiert sie als Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. Die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu leisten, ist aber maßgeblich davon abhängig, welche Zustandsänderungen es ermöglicht, da die Arbeit als Prozessgröße von der Art der Zustandsänderung abhängt.

Inhaltsverzeichnis

Zur Entwicklung und Anwendung des physikalischen Energiebegriffs

Der Begriff Energie 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: ἐν = in, innen und ἔργον = Werk, Wirken. Der neue Begriff Energie war notwendig, um eine Abgrenzung zum Begriff Kraft zu ermöglichen.

Früher wurde versucht, Energie mit dem Kraftbegriff zu definieren und gelangte zu Begriffen wie „lebendige Kraft“ und „Erhaltung der Kraft“. Dies ist einerseits physikalisch falsch, andererseits kann dies nur für mechanische Energie angewandt werden – bei anderen Energieformen (Strahlungsenergie, thermisch, chemisch, etc.) ist die Definition der Energie über den Kraftbegriff sinnlos.

Energie ist eine Erhaltungsgröße: Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System bleibt konstant. Erst bei einem Energie-Fluss über die Systemgrenzen hinweg (Energie-Zufuhr oder -Abfuhr) ändert sich die Gesamtenergie des Systems. Oft ist es nicht ganz einfach, die Systemgrenzen exakt festzulegen. (Hauptartikel: Energieerhaltungssatz).

Bei vielen physikalisch-technischen oder auch wirtschaftlichen Betrachtungen spielen Energiebilanzen eine wichtige Rolle.

Energieformen

Bei den physikalischen Vorgängen treten viele verschiedene Energieformen auf, die hier zu sechs 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 (Rechen-)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 einem anderen System und durch seine Masse bestimmt und setzt sich aus Translations- und Rotationsenergie zusammen.
  • Potentielle Energie wird auch als Lageenergie 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. Auch die Elastische Energie (siehe unten) wird zur Potentiellen Energie gezählt.
  • Schwingungsenergie: Schwingungen sind allgemein (auch über die Mechanik hinaus) durch einen periodischen Wechsel zwischen zwei Energieformen charakterisiert. Beim Pendel wechselt die potentielle Energie bei maximaler Auslenkung mit der gleich großen kinetischen Energie während des Durchgangs durch die Ruhelage ab.
  • 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 akustischen (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, Stoßwellen und elektromagnetische Wellen.

Elektrische und magnetische Energie

Ein Vergleich zeigt, dass es nicht wirtschaftlich ist, elektrische Energie unmittelbar ohne Umwandlung in andere Energiearten zu speichern.

In einem elektrischen Schwingkreis wechselt elektrische Energie im Takt der Frequenz mit magnetischer Energie.

Bindungsenergie

Thermische Energie

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.

Innere Energie

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

Strenggenommen ist der Begriff innere Energie ein Pleonasmus, wie etwa nasser Regen oder weißer Schimmel, da die griechische Vorsilbe En- bereits für „in“ steht (vgl. die Etymologie im Einleitungsabschnitt).

Masse

Nach der speziellen Relativitätstheorie hat ein ruhendes Teilchen der Masse m dieselbe Energie,

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

wie in Newtons Mechanik die kinetische Energie von zwei lichtschnellen Teilchen wäre. Die Ruheenergie ist also bis auf den Faktor c2, 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.

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. Sie ist keine Naturgröße, in dem Sinne, dass ihr ein konkreter physikalischer Sachverhalt zugrunde liegt, sonderen eine Rechengröße, im allgemeinen ein dimensionsbehafteter Kennwert des Systems. Nach DIN 5485 ist die spezifische Energie speziell massenbezogen, und die volumetrische Energiedichte die dimensional bezogene Bezeichnung.

Beispiele:

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

Umwandlung der Energieformen und Energienutzung

In der Physik wird oft mit Denkmodellen gearbeitet. In Gedanken kann man fordern, was in der Natur nicht möglich ist:
So versteht man unter einem „geschlossenem System“ einen Raum, aus dem keine Materie und keine Energie entweichen darf. Jetzt kann man die Vorgänge innerhalb dieses Systems untersuchen und zu Schlussfolgerungen gelangen.

Anschließend versucht man technisch oder im Experiment einem solchen Gedankenmodell möglichst nahe zu kommen. Bezogen auf Wärmeenergie wäre dies beispielsweise eine gute Isolierung des Raums.

Energieerhaltung

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden.

In einem geschlossenen System gilt daher der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist. Man bezeichnet Energie als Erhaltungsgröße. Die Energieerhaltung ist über das Noether-Theorem eine Folge der Unabhängigkeit der physikalischen Gesetze von der Zeit.

Genau genommen ist die Energie allerdings nur erhalten, wenn man auch Masse als eine Energieform betrachtet. Siehe Äquivalenz von Masse und Energie.

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 S, einer thermodynamischen Zustandsgröße der Form Energie je Temperatur.

Energie und Arbeit

Durch eine am System verrichtete Arbeit W 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- oder Geschwindigkeitsänderung.

Sie ist keine Form von Energie, sonderen eine Energiedifferenz zwischen zwei Zuständen.

In der Physik der Felder verwendet man den Begriff des Potentials als Fähigkeit eines Kraftfeldes, einen Körper Arbeit verrichten zu lassen. Sie ist von allfälligen Körpern unabhängig, sondern beschreibt das Feld selbst. Sie hat die Form Energie je Masse im Gravitationsfeld und Energie je Ladung im elektrischen Feld.

Energieerzeugung und -verbrauch, Energieentwertung

Der Begriff Energienutzung bezieht sich auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform. 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.

Physikalisch sinnvoller als der Energieverlust ist der Begriff der Energieentwertung. Darunter versteht man die Tatsache, dass sich bei allen realen Energieumwandlungen der Anteil der nutzbaren Energie vermindert. Es ist nicht möglich, Energieformen vollständig ineinander umzuwandeln. Insbesondere ist es unmöglich, dass ein System seine Wärmeenergie komplett als Arbeit abgibt.

Beispiele für die Energieumwandlung sind

Chemische Energie eines Brennstoffs kann in Wärmeenergie umgewandelt werden oder die eines Kraftstoffs in Verbrennungsmotoren in kinetische Energie. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motore geht ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie als Abwärme verloren.

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 der Energieträger elektrischer Strom auf unterschiedliche Arten erzeugt:

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 Reaktionen im Teilchenbeschleuniger
Thermische Energie Dampfturbine Wärmeübertrager Glühendes Metall Thermoelement Hochofen Supernova
Strahlungsenergie Radiometer Solarkollektor Nichtlineare Optik Solarzelle Photosynthese Kernphotoeffekt
Elektrische Energie Elektromotor Elektroherd Blitz Transformator Akkumulator
Chemische Energie Muskel Ölheizung Glühwürmchen Brennstoffzelle Kohlevergasung
Nukleare Energie schnelle Neutronen Sonne Gammastrahlen Radioisotopengenerator Radiolyse 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 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 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.

(*) Energie kann nicht im eigentlichen Sinne verbraucht werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden (Energieerhaltungssatz). Bei einer Energieumwandlung treten oft Energieformen auf, die man in der gegebenen Situation nicht nutzen kann (z. B. Wärmeenergie durch Reibung), der tatsächlich nutzbare Anteil ist dann kleiner als 100 % (Wirkungsgrad).

Energiequellen

Hauptartikel: Energiequellen

Erschöpfliche Energiequellen

Erneuerbare Energiequellen

Hauptartikel: Erneuerbare Energie

Formeln

E_{\text{pot}} = m \, g \, h \,.
E_{\text{pot}} = {1 \over 2}\, D \, s^2\,,
wobei D die Federkonstante und s die Auslenkung der Feder aus der Ruhelage ist.
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\,.
E_{\text{relativistisch}} = \frac{m \, c^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
E_{\text{Photon}} = h \, f\,,
wobei h das Planck’sche Wirkungsquantum und f die Frequenz ist.
E_{\text{Erdbeben}}=10^{\frac{3}{2}(M-2)} Tonnen TNT,
wobei M die Magnitude auf der Richterskala ist.
W = \int \mathbf F\,\mathrm{d}\mathbf x\,.

Größenordnungen

Die folgende Aufstellung soll helfen, ein Gefühl für die Größenordnungen von Energie zu erhalten. Der Hauptartikel findet sich unter Größenordnung (Energie).

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.

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

Siehe auch

Portal
 Portal: Energie – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Energie
Wikiquote Wikiquote: Energie – Zitate

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Energie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

Einzelnachweise

  1. ↑ The Laws of Thermodynamics von John Denker






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