Das erwartet Sie in diesem Artikel
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?
Es gibt Energieträger, die in der Natur vorhanden sind (Primärenergieträger), und bereits umgewandelte Formen (Sekundärenergieträger).
Welche Energieträger gibt es?
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
Energie existiert in vielen verschiedenen Formen. Die wichtigsten sind:
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.
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 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 ist das Ergebnis von Bindungen und Reaktionen zwischen den Molekülen und Atomen eines Stoffes. Sie ist beispielsweise in Lebensmitteln, Batterien oder Brennstoffen gespeichert.
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.
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.
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.
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:
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
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
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.
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.
Die Energie ist eine Erhaltungsgröße. Energieerhaltung und Nutzungsminderung werden in zwei Hauptsätzen der Wärmelehre (Thermodynamik) festgehalten.
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.
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.
So wird Energie umgewandelt
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
Energieumwandlungskette: Hier werden unterschiedliche Energiearten nacheinander umgewandelt.
Energieumwandlung bei Erneuerbaren Energien: Hier sind die Umwandlungsketten deutlich kürzer und es werden weniger Ressourcen verbraucht.
Wichtige Formeln rund um das Thema Energie
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.