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Durch Verbrennung wird Energie freigesetzt. (Quelle: EnBW)
Was bedeutet der Begriff „Energie“?

Der Begriff „Energie“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „wirkende Kraft“. Anschaulich ausgedrückt ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, Licht auszustrahlen oder Wärme abzugeben. Sie ist also nötig, wenn etwas in Bewegung gesetzt, beschleunigt, hochgehoben, erwärmt oder beleuchtet werden soll. Energie ist lebensnotwendig, da sie für alle natürlichen Vorgänge gebraucht wird. Die älteste Energiequelle der Menschheit ist die Sonne. Für viele Jahrtausende war sie die einzige Wärme- und Lichtquelle auf der Erde. Dann lernten die Menschen, Feuer zu machen.

Da die Energie den Zustand eines Körpers oder elektromagnetischen Feldes kennzeichnet, wird sie als Zustandsgröße beschrieben. Physikalisch lassen sich die wichtigsten Kennzeichen des Energiebegriffs in drei Aspekten zusammenfassen: Energieerhaltung, Energieumwandlung und Energieentwertung.

Angegeben werden die physikalischen Größen mit eindeutigen Werten gemäß dem internationalen Einheitensystem. Einheiten wie Joule und Watt helfen uns, Energie näher zu betrachten. Von besonderer Bedeutung für die moderne Welt ist die elektrische Energie, deren technische Nutzung Mitte des 19. Jahrhunderts einsetzte.

Welche Energiearten gibt es?

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Es gibt Energieträger, die in der Natur vorhanden sind (Primärenergieträger), und bereits umgewandelte Formen (Sekundärenergieträger).

Primärenergie

Primärenergie ist die direkt in den Energiequellen vorhandene Energie. Vielfach ist sie an ein Substrat gebunden. Der Großteil der heute genutzten Energie ist solaren Ursprungs, denn letztlich sind die meisten festen, flüssigen oder gasförmigen Rohstoffe in Millionen von Jahren durch Sonneneinstrahlung entstanden.

Bei der Primärenergie unterscheidet man zwischen unerschöpflichen Energien (beispielsweise Sonnen-, Wind- oder Wasserenergie), erschöpflichen Energien (wie Erdöl oder Erdgas) und Kernbrennstoffen.

Sekundärenergie

Nicht alle Primärenergieträger sind für den Verbraucher direkt verwendbar, sondern müssen vorher aufbereitet werden. Mitunter finden mehrere Umwandlungen hintereinander statt, um die Energie nutzbar zu machen. Deshalb wird ein großer Teil der Primärenergie in Sekundärenergie umgewandelt, etwa in:

  • Briketts
  • Heizöl
  • Holzpellets
  • Strom
  • Wärmeenergie
  • Wasserstoff
Endenergie

Als Endenergie bezeichnet man die Energie, die schließlich von den Endverbraucher*innen genutzt wird. Es ist die Energieform, die nach sämtlichen Umwandlungs-, Transport- und Verteilprozessen in unseren Haushalten, in Industrien oder auch im Verkehr ankommt. Beispiele für diese Endenergie sind:

  • Elektrizität (von Menschen für Licht, Maschinen oder Geräte genutzt)
  • Kraftstoffe (wie Benzin oder Diesel)

Welche Energieträger gibt es?

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Land der heißen Quellen: In Island wird ein Großteil des Strom- und Wärmebedarfs aus erneuerbaren Energien gewonnen. (Foto: Adobe Stock)

Als Energieträger werden Ressourcen oder Materialien bezeichnet, die Energie speichern und – bei Bedarf – freisetzen. Sie funktionieren auch als Behälter, die Energie für verschiedene Prozesse freisetzen können.

Man unterscheidet zwischen fossilen, erneuerbaren und nuklearen Energieträgern:

  • Fossile Energieträger sind nicht erneuerbar, haben eine begrenzte Verfügbarkeit und hohe Emissionen. Dazu zählen Kohle, Erdgas und Erdöl.
  • Erneuerbare Energieträger sind nachwachsend und unbegrenzt verfügbar. Sie haben eine geringere Umweltbelastung. Dazu zählen Sonnen- und Windenergie, Wasserkraft, Erdwärme oder Biomasse wie Holz, deren Energie durch Verbrennung oder Vergärung nutzbar wird.
  • Nukleare Energieträger sind beispielsweise Uran oder Plutonium.

Je nach Wahl des Energieträgers werden Umwelt, Wirtschaft und die Energieversorgung langfristig auf unterschiedliche Weise beeinflusst. Fossile Brennstoffe sind endlich und treiben mit hohen CO₂-Emissionen den Klimawandel voran. Erneuerbare Energien hingegen bieten nachhaltige Alternativen, sind aber nicht selten mit technischen Herausforderungen verbunden.

Erscheinungsformen von Energie

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Energie existiert in vielen verschiedenen Formen. Die wichtigsten sind:

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Mechanische Energie

Mechanische Energie wird in kinetische und potenzielle Energie unterteilt.

  • Kinetische Energie ist die Energie, die ein Objekt durch seine Bewegung besitzt. Ein Auto, das beispielsweise auf der Autobahn fährt, hat kinetische Energie. Je schneller es fährt, desto mehr Energie wird in Bewegung umgesetzt. Auch ein rollender Ball hat kinetische Energie. Lässt man ein 100 Gramm schweres Objekt fallen, hat es eine kinetische Energie von einem Joule.
  • Potenzielle Energie wird in Objekten gespeichert, die sich zum Beispiel in einer Höhe oder unter Spannung befinden. Eine gespannte Feder oder ein Stausee speichern potenzielle Energie. Wird ein Gewicht von etwa 100 Gramm einen Meter angehoben, so hat es ebenfalls eine potenzielle Energie von einem Joule.
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Windenergie ist eine der wichtigsten Ressourcen für die EnBW. (Foto: EnBW)
Thermische Energie

Thermische Energie wird in Form von Wärme wahrgenommen. Sie entsteht durch die Temperatur eines Stoffes und steht für die Fähigkeit eines Objektes, Wärme abzugeben. Bei Verbrennungs- oder Reibungsvorgängen wird thermische Energie – auch Wärmeenergie genannt – freigesetzt. Im Alltag wird sie beispielsweise genutzt, um Räume zu heizen.

Elektrische Energie

Elektrische Energie entsteht durch die Bewegung von Elektronen zwischen Objekten, die jeweils eine unterschiedliche elektrische Ladung haben. Sie wird genutzt, um beispielsweise Geräte zu betreiben oder Gebäude zu beleuchten.

Chemische Energie

Chemische Energie ist das Ergebnis von Bindungen und Reaktionen zwischen den Molekülen und Atomen eines Stoffes. Sie ist beispielsweise in Lebensmitteln, Batterien oder Brennstoffen gespeichert.

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Kernenergie

Kernenergie entsteht durch Veränderungen im Atomkern, beispielsweise bei einer Kernspaltung oder einer Kernfusion. Sie wird in der Regel zur Stromerzeugung oder zum Antrieb von Maschinen genutzt.

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Strahlungsenergie

Strahlungsenergie wird in Form von elektromagnetischen Wellen übertragen. Wir nehmen sie als Licht oder Wärme wahr. Auch Röntgenstrahlen oder Radiowellen sind Quellen von Strahlungsenergie. Sie kann zur Beleuchtung oder zum Heizen von Räumen genutzt werden.

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Erneuerbare Energie

Erneuerbare Energie wird aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen. Dazu zählen unter anderem Wind-, Wasser- und Sonnenenergie. Sie lässt sich auf natürliche Weise erneuern, ist dadurch umweltfreundlich und erzeugt kaum CO2-Emissionen.

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Mit einer Kilowattstunde kann man 70 Tassen Kaffee kochen oder etwa sieben Stunden fernsehen. (Foto: Adobe Stock)

Welche Maßeinheiten für Energie gibt es?

Physikalische Größen werden in Maßeinheiten mit eindeutigen Werten gemäß dem internationalen Einheitensystem angegeben. Im Zusammenhang mit Energie tauchen folgende Maßeinheiten häufig auf:

Joule

Zur quantitativen Bemessung aller Energieformen, also auch der Arbeit und der Wärmemenge, wird die Einheit Joule verwendet. Sie ist nach dem englischen Physiker James Prescott Joule (1818-1889) benannt. Mit der Energie von einem Joule kann eine Sekunde lang die Leistung von einem Watt erbracht werden.

1 J = 1 Ws

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Leistung

Die Leistung gibt an, welche Energiemengen in einer bestimmten Zeit umgesetzt werden. Ihre Einheit ist Joule pro Sekunde, auch nach dem schottischen „Erfinder“ der Dampfmaschine als Watt bezeichnet.

Die mittlere Leistung eines Pferdes beträgt etwa 500 Watt (W), eine Diesellokomotive leistet bis zu 3.000 Kilowatt.

Dabei gilt: 1 W = 1 J/s

Kilowattstunde

Von Kilowattstunde (kWh) sprechen wir, wenn wir elektrische Energie messen, wobei eine Kilowattstunde 3.600 Kilojoule entspricht: 1 kWh = 3.600.000 J = 3,6 Megajoule (MJ). Was man mit einer Kilowattstunde machen kann? Zum Beispiel 70 Tassen Kaffee kochen oder etwa sieben Stunden fernsehen.

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Energieerhaltung und die Thermodynamik

Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden. Sie kann lediglich von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Dabei bleibt zwar die Menge der Energie in einem abgeschlossenen System konstant, der nutzbare Anteil der Energie aber ist je nach Umwandlung unterschiedlich hoch. Seit Einsteins Relativitätstheorie wissen wir, dass Energie in Materie umgewandelt werden kann und umgekehrt.

Hauptsätze der Thermodynamik

Die Energie ist eine Erhaltungsgröße. Energieerhaltung und Nutzungsminderung werden in zwei Hauptsätzen der Wärmelehre (Thermodynamik) festgehalten.

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Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt das Prinzip der Energieerhaltung und besagt, dass die Energie bei jedem Vorgang in einem abgeschlossenen System mengenmäßig erhalten bleibt.

Sie wird nach folgender Formel berechnet:

∆U = ∆Q+∆W

Dabei gilt: Die Änderung der inneren Energie U eines geschlossenen Systems ist gleich der Summe der Änderung der Wärme Q und der Änderung der Arbeit W.

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Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt das Prinzip der Energieentwertung und besagt, dass Energie insofern „verbraucht“ wird, als nach der Umwandlung nur noch ein geringerer Teil genutzt werden kann.

Wärme kann also nicht von sich aus von einem Körper mit niedriger Energie auf einen Körper mit höherer Energie übergehen. Ein Perpetuum mobile kann es nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht geben.

Gleichstrom vs. Wechselstrom

Gleich- und Wechselstrom unterscheiden sich in der Bewegungsrichtung der Bewegungsrichtung der Elektronen: Während der Stromfluss bei Gleichstrom konstant in die gleiche Richtung erfolgt, wechseln die Ladungsträger bei Wechselstrom periodisch ihre Richtung. Wie oft die Stromrichtung pro Sekunde wechselt, wird mit Hilfe der Frequenz in der Einheit Hertz (Hz) angegeben. Das europäische Stromnetz wird beispielsweise mit 50 Hz betrieben. Das bedeutet, die Richtung der Elektronen ändert sich 50 Mal pro Sekunde. Aus der heimischen Steckdose fließt ebenfalls Wechselstrom, allerdings mit einer Spannung von 230 Volt.

So wird Energie umgewandelt

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Verschiedene Energiearten können nacheinander umgewandelt werden. Elektrische Energie erhält man unter anderem durch Umwandlung von chemischer Energie über Wärmeenergie und mechanische Energie. Das ist beispielsweise der Fall, wenn in einem Kraftwerk Kohle verbrannt wird, mit der gewonnenen Wärme Wasser erhitzt, mit dem entstehenden Dampf eine Turbine angetrieben und die Energie schließlich in einem Generator in Strom umgewandelt wird.

Elektrische Energie wiederum ist in Bewegungsenergie umwandelbar. Das ist beispielsweise bei einem E-Motor in Elektroautos der Fall. Bei der Energieumwandlung entstehen Verluste im Sinne der Energieentwertung, etwa in Form von Reibungs- oder Wärmeenergie. Wenn beispielsweise zwei Körper aufeinander gleiten, treten Reibungskräfte auf, die der Bewegung entgegenwirken und sie hemmen.

Die verschiedenen Energieumwandlungen in der Übersicht

Wichtige Formeln rund um das Thema Energie

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Da Energie in verschiedenen Formen existiert, beispielsweise in Form von mechanischer, thermischer, chemischer, elektromagnetischer und nuklearer Energie, ist es wichtig, ein paar grundlegende Formeln zu kennen. Nur damit kann man dieses große Thema richtig verstehen.

  • Energie = Masse * Geschwindigkeit²
  • Arbeit = Kraft * zurückgelegte Strecke
  • Leistung = Energie / Zeit
  • Wirkungsgrad = Arbeitsleistung / Energieeinsatz

Grundsätzlich kann Energie als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, verstanden werden. Die Leistung ist die Geschwindigkeit, mit der diese Arbeit verrichtet wird. Sie wird in Watt gemessen. Der Wirkungsgrad zeigt wiederum an, wie gut ein System Energie in Arbeitsleistung umwandeln kann.

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