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Energie ist Lebenskraft und wird unendlich von der Sonne geliefert

Diese zunächst einfache Frage ist von vielen nicht einfach zu beantworten. In unserem täglichen Leben werden wir jederzeit mit Energie konfrontiert ohne eine genaue Antwort geben zu können. Dies liegt an den unterschiedlichen Formen der Energie, mit er sie täglich konfrontiert werden. Nimmt man die Physik zu Rate, so erhält man die lapidare Antwort: "Energie ist gespeicherte Arbeit."

Was ist jetzt aber Arbeit genau? Ohne dies zu beantworten, haben wir auch keine Antwort auf unsere Ausgangsfrage.

Schauen wir uns einmal die verschiedenen Energieformen genauer an.

Wärme-
thermische Energie

Beschreibt die Energie, die in der erhöhten Temperatur eines Gegenstandes gespeichert ist. Um den Gegenstand auf die aktuelle Temperatur zu erwärmen muss genau diese Menge Energie aufgewendet werden.

Strahlungs-
energie

Sie gibt an, welche Energie in irgendeiner Strahlung enhalten ist. Diese Strahlung kann Licht sein oder auch Funkwellen, radioaktive Strahlung, UV-Strahlung..... Auch der Mikrowellenherd erwärmt Lebensmittel indem er Strahlungsenergie aussendet, die dann von den Lebensmitteln in Wärmenergie umgewandelt wird.

Chemische Energie

Die chemische Energie beschreibt die Energiemenge, die in irgendwelchen"^Chemikalien" gespeichert ist. Diese Chemikalien müssen dabei nichts "böses" sein. Im chemischen Sinn sind auch Öl, Gas, Mehl, Zucker, Olivenöl, Stärke, Eiweiß,.... Chemikalien. Die in diesen Substanzen gespeicherte Energie kann oft durch eine Verbrennung freigesetzt werden. Bei Lebensmitteln wird der Energieinhalt des Produktes auf der Packung in kcal oder kJ bei den Nährwertangaben angegeben.

Bewegungs- oder
kinetische Energie

Die Bewegungsenergie ist die Energie, die in der Bewegung eines Gegenstandes gespeichert ist. Um diesen Gegenstand auf die aktuelle Geschwindigkeit zu beschleunigen war genau diese Energie nötig. Die Bewegungsenergie ist nicht die Energie, die nötig ist, um die Bewegung trotz bremsender Kräfte, etwa des Luftwiderstandes, aufrecht zu erhalten.

Elektrische Energie

Elektrische Energie ist diejenige Energie, die durch den elektrischen Strom transportiert wird. Wir kaufen sie beim Energieversorger in erschreckend großer Menge und bezahlen sie pro kWh. Die Anzahl der kWh gibt also an, wie viel elektrische Energie wir insgesamt gekauft haben.

Sonnenenergie

Mit Sonnenernegie bezeichnen wir die Energie, die uns die Sonne liefert. Eigentlich meinen wir jedoch diejenige von der Sonne ausgehende Strahlungsenergie, die die Erdoberfläche erreicht - mit anderen Wort: Die Energie des Sonnenlichts.

Windenergie

Mit Windenergie wird häufig die aus dem Wind gewonnene elektrische Energie bezeichnet. Eigentlich ist es jedoch die im Wind gespeicherte Energie und damit nichts anderes als die Bewegungsenergie der Luft. Windenergie ist also eine besondere Bewegungsenergie

Kernenergie

Wir bezeichnen landläufig mit Kernenergie den Prozess der Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kernkraftwerk. Eigentlich nutzt man einen relativ komplizierten Vorgang, die erzwungene Kernspaltung, um aus Energie, die im Kern großer Atome steckt, elektrische Energie zu gewinnen. Es wird ebenfalls versucht bei der Kernfusion Energie freizusetzen, was jedoch noch weite Zukunftsmusik ist.

Wasserkraft oder
Lageenergie

Wasserkraft, wie man sie in Wasserkraftwerken nutzt, ist eigentlich keine "Kraft", sondern die Lageenergie des Wassers. Durch den Regen wurde das Wasser in erhöhter Lage abgelegt. Aus dieser erhöhten Lage fließt es nun freiwillig wieder herab. Die Energie, die nötig wäre, um das Wasser zurück in die erhöhte Position zu bringen steht dabei zum Antrieb verschiedenster Maschinen zur Verfügung. Die Energie ist also eigentlich in der erhöhten Lage des Wassers gespeichert.

Die obige Tabelle zeigt uns sehr anschaulich, welche unterschiedlichen Arten von Energie vorhanden sind und diese sind messbar. Es gibt zum Einen die biologische Energie in "Kalorien" ausgedrückt und die physikalische Energieeinheit "Joule".
Wir wollen uns mit der physikalischen Einheit Joule näher beschäftigen.

Strecke

Meter (m)

Ein Meter ist die Strecke, die das Licht im Vakuum im 299.792.458sten Teil einer Sekunde zurücklegt. D.h. Licht legt im Vakuum in jeder Sekunge eine Strecke von 299.792.458 Metern zurück.

Masse

Kilogramm
(kg)

Das Kilogramm ist etwas seltsam definiert, denn es lässt sich nicht auf irgendeine Naturkonstante zurückführen. Stattdessen hat man sich irgendwann mal geeinigt, dass irgend so ein Klotz, der in Paris seeeehr sicher aufbewahrt wird, genau der Masse von einem Kilogramm entspricht. Jede andere Masse wird nun durch den Vergleich mit diesem Urkilogramm bestimmt. Das Verfahren stellt viele Physiker nicht zufrieden, weil eine Veränderung dieses "Urkilogramms" katastrophale Auswirkungen auf das Einheitensystem der Physik hätte. Man versucht deshalb das Kilogramm auf andere, sicherere Weise neu zu definieren. Natürlich darf sich dabei die Masse, die einem Kilogramm entspricht, nicht verändern.

Zeit

Sekunde (s)

Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Caesium-Isotops 133Cs entsprechenden Strahlung. - aha :-) Nun, jeder wird etwa wissen, was eine Sekunde ist.

Strom-
stärke

Ampere (A)

Natürlich könnte man die Stromstärke als Ladung pro Zeit über die Ladung definieren. Aus irgendwelchen Gründen hat man sich aber entschieden nicht etwa das Coulomb als Einheit der Ladung zur Basiseinheit zu machen, sondern das Ampere auf das metrische System zurückzuführen und darüber zu definieren. Ein Ampere ist demnach diejenige "konstante Stromstärke, die durch zwei parallele, gradlinige, unendlich lange und im Vakuum in Abstand von 1 Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern pro Meter Leiterlänge die Kraft von 2*10-7Newton hervorrufen würde." (Quelle:Wikipedia am 06.03.2008)

Temperatur

Kelvin (K)

"1 / 273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser genau definierter isotopischer Zusammensetzung."(Quelle:Wikipedia am 06.03.2008) In der Praxis bedeutet dies, dass eine Temperatur von 0 Kelvin (0 K) ziemliich genau der tiefstmöglichen Temperatur entspricht, nämlich -273,13 °C und 0°C dann ziemlich genau 273,13 K sind.

Stoffmenge

Mol (mol)

Ein Mol ist diejenige Anzahl an 12C-Atomen, die in 12 g isotopenreinen Kohlenstoffs 12C enthalten ist. Ein Mol (1 mol) ist also eigentlich eine Zahl, ähnlich wie ein Dutzend, nur dass 1 mol einer wahnsinnig großen Anzahl entspricht, nämlich etwa 6,022*1023 Atomen. (602.200.000.000.000.000.000.000)

Lichtstärke

Candela (cd)

"Die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz.5) 540 × 1012 Hz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1 / 683 Watt pro Steradiant beträgt." (Quelle:Wikipedia am 06.03.2008)

Innerhalb dieses Systems wird die Einheit Joule nun etwa wie folgt definiert:

Ein Joule ist diejenige Energie, die nötige ist, um längs eines Weges von 1 m (1 Meter) eine Kraft von 1 N (1 Newton) zu überwinden.

Ein Newton lässt sich dabei auf die SI-Einheiten etwa in der folgenden Weise zurückführen:

Ein Newton ist diejenige Kraft, die erforderlich ist, um einen Körper der Masse 1 kg in einer Sekunde (1s) um 1 m/s zu beschleunigen.

Man sieht also: Das Joule ist eine wunderschön anschauliche Einheit:-). Nein, ist es nicht, aber Joule bietet wegen der Integration in das metrische System sehr viele Vorteile in physikalischen Berechnungen. Deshalb hat die Angabe von Energien in Joule in der Physik viele Vorzüge. Praktisch ist ein Joule etwa diejenige Energie, die erforderlich ist, um 100g einen Meter weit senkrecht nach oben zu heben. Einen Liter Wasser einen Meter hoch zu heben erfordert also bereits etwa 10 J. Ein Joule ist demnach eher eine kleine Energiemenge, weshalb man häufig Angaben in kJ (1000 J) oder sogar MJ (1.000.000 J) findet. Ein Megajoule (1MJ) reicht aus, um auf der Erde eine Masse von einer Tonne etwa 100 Meter hoch zu heben.

Die "kommerzielle" Energieeinheit - Kilowattstunden

Weil ein Joule so wenig ist wird Energie oft in der Einheit kWh (Kilowattstunden) verkauft. Wenn wir unsere Stromrechnung bekommen, dann findet sich dort unser "Stromverbaurch" in kWh. Letztlich kaufen wir also vom "Stromkonzern" nicht etwa "Strom", sondern Energie, die wir pro kWh bezahlen müssen. 1 kWh lässt sich dabei ebenso auf die SI-Einheiten zurückführen, wie das Joule und ist daher anders als die Kalorie keine "illegale" Einheit. Da jedoch die Stunde, die in die Kilowattstunde eingeht, aus 3600 Sekunden besteht, ist die Angaben von Energien in kWh für physikalische Berechnungen eher unpraktisch.

Um 1 kWh Energie zu "verbrauchen" muss man eine Stunde lang eine Leistung von 1000 Watt umsetzen, oder 30 Minuten lang 2000 Watt oder 2 Stunden lang 500 Watt oder.... Eine Kilowattstunde ist somit eine relativ große Menge Energie, nämlich genau 3.600.000 J oder 3.600 kJ oder 3,6 MJ.

Die Energie pro Sekunde - Watt

Eigentlich ist Watt (W) keine Energieinheit, sondern eine Einheit der Leistung. Da jedoch Energie und Leistung eng verwandt sind und "Watt" im Alltag oft synonym zur Energie benutzt wird, wird es hier auch beschrieben.

Eine Leistung von einem Watt (1 W) wird verrichtet, wenn in einer Sekunde (1 s) Joule (1 J) Energie umgesetzt wird. Die Leistung in Watt gibt also an, wie viel Energie in jeder Sekunde umgesetzt wird. Ein Toaster mit 800 Watt setzt also in jeder Sekunde die Energiemenge um, die nötig wäre, um 800 Tafeln Schokolade zu je 100 g um ca einen Meter anzuheben. Multipliziert man also die Leistung in Watt mit der Zeit in Sekunden erhält man die insgesamt umgesetzte Energiemenge in Joule. Multipliziert man hingegen die Leistung in Kilowatt (kW, 1kW = 1000W) mit der Zeit in Stunden, erhält man die Energiemende in kWh. Wenn man also mit seinem Auto mit einer Leistung von vielleicht 100 kW (136 PS) eine Stunde mit Vollgas über die Autobahn fährt, so hat man 100 kWh Energie umgesetzt.

Umrechnungen

Kilowattstunden in Joule

Eine Kilowattstunde (1kWh) Energie umgesetzt zu haben bedeutet z.B. eine Stunde lang eine 1000 Watt geleistet zu haben. Eine Stunde hat dabei 3600 Sekunden; 1000 Watt Leistung bedeutet aber 1000 Joule Energieumsatz in jeder Sekunde. Damit ergeibt sich für 1 kWh:

1 kWh = 1000 Wh = 1000 J/s * 1h = 1000 J/s * 3600 s = 3.600.000 J =3,6 MJ

1 kWh ist also die gleiche Energiemenge, wie 3.600.000 J. Deshalb muss man die Energie in kWh mit 3.600.000 multiplizieren, um die Energie in Joule zu erhelten. Entsprechend muss die Energiemenge in Joule durch 3.600.000 geteilt werden, um kWh zu erhalten.
4.6.4. Watt in Joule

Da Watt und Joule eigentlich zwei völlig verschiedene physikalische Größen beschreiben, ist eine Umrechnung so ohne weiteres nicht möglich. Die Frage, wie viel Watt ein Joule sind, ist ähnlich der wie viele Äpfel eine Birne sind: Es gibt keine Antwort. Da jedoch zwischen Leistung (Watt) und Energie (Joule) anders als zwischen Äpfeln und Birnen ein recht einfacher physikalischer Zusammenhang besteht, ist eine Umrechnung doch möglich, wenn man eine weitere Größe, die Zeit in Sekunden, mit in die Berechnung einbezieht.

Ein Watt Leistung zu verrichten bedeutet in einer Sekunde ein Joule Energie umzusetzen. Aus diesem einfachen Sachverhalt ergibt sich somit die Anleitung zur Umrechnung. Um aus der Leistung in Watt auf die umgesetzte Energie in Joule zu kommen, muss die Leistung mit der Zeit in Sekunden multipliziert werden.

Wird bispielsweise eine Stunde (1h) lang eine Lampe mit einer Leistung von 60 Watt betrieben, so lässt sich die umgesetzte Energie wie folgt berechnen:

1 h = 60 min = 60*60 s = 3600 s
60 W * 3600 s = 216.000 J = 216 kJ

Wird dagegen innerhalb von 2 Stunden durch irgendein Gerät eine Energiemenge von 4 kWh umgesetzt, so lässt sich die mittlere Leistung in Watt berechnen, indem die umgesetzte Energie in Joule durch die Zeit in Sekunden geteilt wird.

2 h = 2*60 min = 2*60*60 s = 7200 s
4 kWh = 4*3.600.000 J = 14.400.000 J
14.400.000 J/7200 s = 2.000 W = 2 kW

Jetzt wird es spannend

Energie kann nicht erzeugt werden !


Die Überschrift enthält eines der fundatmentalen Gesetze der Physik, die Energieerhaltung. Dieses Gesetz, von dem es unter keinen Umständen eine Ausnahme geben kann, besagt, dass Energie weder vernichtet noch erzeugt werden kann. Wenn wir also umgangssprachlich von Energieerzeugern, Energieverbrauchern oder Energieverbrauch reden, dann meinen wir nicht tatsächlich Verbrauch oder Erzeugung von Energie, denn dies ist ja physikalisch unmöglich, sondern wir meinen die Umwandlung von Energie in eine andere Form. Diese Umwandlungen sind etwas abstrakt und werden deshalb an ein paar Beispielen illustriert.

Energieumwandlungen beim Autofahren

Ursprünglich ist die zum Autofahren benutzte Energie als chemische Energie im Kraftstoff gespeichert. Ein Liter Benzin enthält etwa 32 MJ = 32.000.000 J Energie, ein Liter Diesel sogar etwa 35 MJ. Der Kraftstoff wird im Motor verbrannt, wodurch die in ihm gespeicherte chemische Energie als Wärmeenergie freigesetzt wird. Diese Wärmeenergie wird nun teilweise in mechanische Energie umgesetzt (etwa 30 bis 35 %). Der Rest wird direkt als Wärme über den Kühler und den Auspuff an die Umgebung abgegeben. Die mechanische Energie wird nun benutzt, um das Auto zu bewegen. Hierbei ist im Flachland Energie eigentlich nur für zwei Dinge nötig: Zur Überwindung bremsender Kräfte, etwa der Reibung und des Luftwiderstands, und zum Beschleunigen, d.h. zum "Erzeugen" von Bewegungsenergie. Beim Bremsen wird diese Bewegungsenergie an den Bremsen in Wärmeenergie umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Die an der Straße und in den Lagern entstehende Reibungsenergie wird ebenfalls direkt in Wärme umgewandelt, ebenso die Energie, die zur Überwindung des Luftwiderstandes nötig ist, denn das Auto überträgt die Energie direkt als Bewegungsenergie auf die Luftmoleküle, die sich dadurch schneller bewegen -> die Luft wird wärmer. Diese Vorgänge sind im folgenden Energieflussdiagramm dargestellt:

Energieumwandlung im Auto

Energieumwandlungen zum Erzeugen elektrischen Lichts

Strom, d.h. elektrische Energie ist kein Primärenergieträger. Aus diesem Grund muss die elektrische Energie zunächst aus einem Primärenergieträger gewonnen werden. Da ein erheblicher Teil der elektrischen Energie derzeit aus Kohle gewonnen wird, gehen wir hier davon aus, dass unsere Energie ursprünglich mal in der Kohle gespeichert war.

Um aus Kohle Strom zu gewinnen, muss die chemische Energie der Kohle durch Verbrennen als Wärme freigesetzt werden. Dies geschieht im Kohlekraftwerk. Aus dieser Wärmeenergie wird dann auf pfiffige Weise über den Umweg der mechanischen Energie ein maximaler Anteil (etwa 45 %) in elektrische Energie umgewandelt. Die restlichen ca. 55 % werden direkt als Wärme an die Umgebung abgegeben. Die elektrische Energie wird dann unter erneutem Verlust einiger Prozent zu den Haushalten übertragen. Auch diese Verluste werden als Wärme an die Umwelt abgegeben. Im Haus fließt dann der Strom durch die Glühlampe und erwärmt dort den Draht, der in Folge der hohen Temperatur zu glühen beginnt. Hierbei werden etwa 5 % der restlichen Energie als Lichtenergie ausgesandt, die übrigen 95 % werden als Wärme an den Raum abgegeben. Die Lichtenergie wird dann beim Auftreffen auf dunkle Flächen ebenfalls in Wärme umgewandelt, sodass am Ende alle Energie als Wärme vorliegt. Diese Vorgänge sind im folgenden Fließschema dargestellt:

Energieumwandlung Licht

Das Ende aller Energie - zerstreute Wärme

Am Ende aller Energieumwandlungsketten steht immer Wärmeenergie, d.h. aus aller Energie wird am Ende Wärmeenergie. Diese Wärmeenergie ist jedoch nicht mehr nutzbar, weder zum heizen noch für irgend etwas anderes, denn es ist gleichmäßig verteilte Wärme. Gleichmäßig verteilt bedeutet hierbei, dass es nirgends eine größere Energiedichte gibt, als irgendwo anders. Die Energie hat sich also absolut gleichmäßig in der Gegend verteilt - sie hat sich völlig zerstreut. Energie ist für uns aber nur nutzbar, wenn die Energiedichte irgendwo höher ist, als irgendwo anders. Diese zerstreute Wärmenergie ist also "verlorene" Energie.

Energie die für uns technisch nutzbar ist, muss also in sehr kompakter, konzentrierter Form vorliegen. Es muss sich in einem kleinen Volumen deutlich mehr Energie befinden als in der Umgebung in gleichgroßen Volumenelementen enthalten ist. Ist dies der Fall, ist der Energiedichtenüberschuss für uns nutzbar. Wir können die Energie vom Ort großer Energiedichte zum Ort kleinerer Energiedichte fließen lassen. Auf dem Weg dorthin ist die Energie in der Lage Arbeit zu verrichten - sie ist also für uns nutzbar. Nach der Gleichverteilung, wenn die Energiedichte überall gleichgroß ist, ist die Energie für uns verloren. Das Streben der Energie nach Gleichverteilung ist demnach der eigentliche Antrieb aller Dinge.

Will man nun gegen den natürlichen Prozess der Gleichverteilung die Energiedichte an irgendeinem Ort erhöhen, wie dies etwa bei der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie in einem Kraftwerk geschieht, so ist dies nur möglich, wenn gleichzeitig an einem anderen Ort eine große Menge Energie zerstreut wird. Die gesamte Energie des Universums muss sich durch diesen von uns erzwungenen Prozess der Energiekonzentration insgesamt gleichmäßiger verteilen. Geschieht dies nicht, ist die Beabsichtigte Energieumwandlung unmöglich. Dies ist der Grund für den vergleichsweise erbärmlichen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen (Kraftwerke, Verbrennungsmotoren,....alle Maschinen, in denen aus Wärme eine Bewegung erzeugt wird). Wird hingegen bei einem Vorgang eine "hochdichte" Energieform, etwa elektrische Energie, in eine "weniger dichte" Form, etwa Bewegungsenergie, umgewandelt, so steigt bereits durch diesen Prozess der Grad der Zerstreuung der Energie an, sodass keine zusätzliche Energie zerstreut werden muss und der Wirkungsgrad theoretisch nahezu 100 % betragen kann.

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