Energieform


Energieform
Physikalische Größe
Name Energie
Formelzeichen der Größe E - gr. εν εργον
Größen- und
Einheiten-
system
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, 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.

Energie benötigt man, 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. Innerhalb eines Systems kann Energie unter Verwendung von Energiewandlern oder durch natürliche physikalische Prozesse von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Weiterhin kann Energie von einem System auf ein Anderes übertragen werden, z. B. durch das Leisten von Arbeit, die Übertragung von Wärme oder den Transport von Energieträgern. Die über alle Energieformen summierte Gesamtenergie innerhalb eines abgeschlossenen Systems kann weder vermehrt noch vermindert werden. Sie ist eine Erhaltungsgröße und es gilt für das System die Energieerhaltung.

Eine verbreitete, aber unvollständige Definition der Energie charakterisiert sie als Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. Diese Definition ermöglicht aber keine quantitative Energiedefinition, da sie den Energieübergang durch Wärme nicht erfasst.

Nach dem Noether-Theorem entsprechen Erhaltungssätze Symmetrien des Systems, und speziell die Energieerhaltung entspricht einer Invarianz des Systems bei Translationen in der Zeit, so wie die Erhaltung des Impulses die Invarianz bei Translationen im Ortsraum ausdrückt. Auch in der Quantenmechanik sind Energie und Zeit miteinander verbunden (etwa Lebensdauer und Linienbreite eines angeregten Zustands im Atom) und erfüllen eine Energie-Zeit-Unschärferelation[1].

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 in der klassischen Mechanik

Der Ursprung des Energiebegriffs liegt in der klassischen Mechanik.

Hier definiert man zunächst die kinetische Energie als diejenige Energie, die dem Bewegungszustand eines Körpers innewohnt. Sie ist proportional zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit. 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.

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. Man bezeichnet die potentielle Energie daher auch als die "Fähigkeit, Arbeit zu verrichten".

In konservativen Kraftfeldern gilt außerdem der Energieerhaltungssatz der klassischen Mechanik, welcher besagt, dass sich Summe aus potentieller Energie und kinetischer Energie mit der Zeit nicht ändert. Mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes kann beispielsweise die Physik des elastischen Stoßes untersucht werden.

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.

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

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.

Masse

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 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. 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

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.

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, Energieumwandlung, Entropie

Grundsätzlich ist eine Energieerzeugung schon aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Der Begriff wird im Wirtschaftsleben aber dennoch verwendet, um die Erzeugung einer bestimmten Energieform (z.B. elektrischer Strom) aus einer anderen Form (z.B. 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 (z.B. Erdöl, Gas, Kohle etc.) in eine nicht mehr weiter nutzbare Energieform (z.B. Abwärme in der Umwelt). Vom Energiesparen ist die Rede, wenn effizientere Prozesse gefunden werden, die weniger Primärenergie für denselben Zweck benötigen, oder anderweitig, z.B. 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.

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 Sonne 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 Atombombe Kernreaktor 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

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.

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
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

Weblinks

Einzelnachweise

  1. die Zeit wird allerdings in der (nichtrelativistischen) Quantenmechanik nicht als Operator behandelt und die Unschärferelation folgt aus etwas anderen Überlegungen als bei kanonisch konjugierten Größen wie Ort und Impuls

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