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ENERGIE

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ENERGIE





Energieformen

Bei den physikalischen Vorgängen treten viele verschiedene Energieformen auf, die hier zu vier Gruppen zusammengefasst sind

Mechanische Energie

Die Energie eines mechanischen Systems kann immer als Summe von kinetischer und potenzieller Energie dargestellt werden

  • Kinetische Energie wird auch als Bewegungsenergie bezeichnet. Sie wird durch die Bewegung eines Körpers gegenüber seiner Umgebung und durch seine Masse bestimmt und setzt sich aus Translationsenergie und Rotationsenergie zusammen.
  • Potentielle Energie wird auch als Energie der Lage bezeichnet. In der Mechanik ist sie die Energie eines Körpers, die er durch seine Lage in einem Kraftfeld besitzt, zum Beispiel im Gravitationsfeld der Erde (Gravitationsenergie) oder, falls er elektrisch geladen ist, in einem elektrischen Feld.

Thermische Energie

Thermische Energie ist die mechanische Energie der ungeordneten thermischen Bewegung der Atom oder Moleküle von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. Thermische Energie wird auch als Wärmeenergie, Wärmeinhalt und Wärmemenge bezeichnet. Sie ist von der Temperatur abhängig.



Die Summe aus thermischer Energie, Schwingungsenergie im Körper und Bindungsenergie heißt Innere Energie, ist also nicht allein der thermischen Energie zuordenbar.

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Elektrische und magnetische Energie

Elektrische Energie ist als potenzielle Energie im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen gespeichert.

Magnetische Energie ist im magnetischen Feld enthalten.

Elektromagnetische Schwingungsenergie: Durch Induktion wechselt elektrische Energie im Takt der Frequenz mit magnetischer Energie. Dies findet in elektrischen Schwingkreisen statt, aber auch im Raum, in dem sich das elektromagnetische Feld ausbreitet. Dann spricht man von elektromagnetischer Strahlungsenergie oder Photonenenergie und speziell für den sichtbaren Frequenzbereich von Lichtenergie. Bindungsenergie

Chemische Energie: Energie, die in der chemischen Bindung von Atomen oder Molekülen enthalten ist. Sie wird bei exothermen Reaktionen frei.

Kernenergie: die Energie der Bindung der Protonen und Neutronen im Atomkern. Sie wird bei Kernreaktionen in die Bindungsenergie der Reaktionsprodukte, also neuer Atomkerne umgesetzt, und in verschiedene Arten von Strahlung.

Umwandlung der Energieformen und Energienutzung

Energie kann in physikalischen Vorgängen weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in verschiedene Energiearten umgewandelt werden. In einem geschlossenen System gilt der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist. Auch die Theorie unterstützt diese Überzeugung: In abgeschlossenen Systemen ist Energie eine Erhaltungsgröße.

Durch eine am System verrichtete Arbeit 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-, Beschleunigungsänderung etc.

Der Begriff Energienutzung bezieht sich auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform (→ Arbeit). 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. Weiterhin ist es nicht möglich, die Energieformen beliebig ineinander umzuwandeln. Insbesondere ist es unmöglich, dass ein System seine Wärmeenergie komplett als Arbeit abgibt.

Beispiele für die Energieumwandlung sind die Erzeugung von Licht und Wärme aus elektrischer Energie über einen elektrischen Widerstand und die Umwandlung der elektrischen Energie mit Hilfe des Elektromagnetismus über magnetische Felder in einem Elektromotor in kinetische Energie.

Chemische Energie eines Brennstoffs wird bei der Verbrennung in Wärmeenergie verwandelt oder in Verbrennungsmotoren (als Kraftstoff) in kinetische Energie umgewandelt. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motoren wird ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie direkt in Wärmeenergie umgewandelt.

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 elektrische Energie erzeugt. Entweder wird dabei vorhandene potentielle Energie (Speicherkraftwerk) oder kinetische Energie (Laufkraftwerk, Windenergieanlage) über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt oder es wird der Umweg über eine Wärmekraftmaschine gewählt, um aus Wärme Energie zu gewinnen. Beispiele dafür sind Wärmekraftwerke, die mit Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Kernkraft oder auch Müll betrieben werden.

Strahlungsenergie, auch in Form von akustischer Energie, wird beim Auftreffen auf eine absorbierende Fläche meistens in Wärmeenergie verwandelt.


Beispiele für Umwandlungen

Umwandlung zu->

Mechanische Energie

Thermische Energie

Strahlungsenergie

Elektrische Energie

Chemische Energie

Mechanische Energie

Getriebe

Bremsen

Solarsegler

Generator


Thermische Energie

Dampfturbine

Wärmetauscher

Glühendes Metall

Thermoelement


Strahlungsenergie

Radiometer

Solarheizung


Solarzelle

Fotosynthese

Elektrische Energie

Elektromotor

Elektroherd

Lampe

Transformator

Akkumulator



Chemische Energie

Muskel

Ölheizung

Glühwürmchen

Batterie



Energieverbrauch

Mit dem Energieverbrauch wird die Nutzung von verschiedenen Energien in für Menschen gut verwendbaren Formen bezeichnet. Die von Menschen am stärksten benötigten 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 Energieträger in Fahrzeugen nicht unerheblich.

Mit dem umgangssprachlichen Begriff: Energieverbrauch ist technisch ausgedrückt häufig die Freisetzung von Wärmeenergie in die Atmospäre gemeint. Unabhängig ob eine Energieeinheit in Form eines Holzstückes zu Heizzwecken oder zum Betrieb eines CD-Spielers zum Abhören einer CD angewendet wird, ist der "Verbrauch" durch das Erreichen der untersten Energiestufe z.B. als Abwärme in die Umwelt gekennzeichnet.

Der Energieverbrauch ist weltweit sehr unterschiedlich und in den Industrieländern um ein vielfaches höher als z.B. in der dritten Welt. In hochentwickelten Ländern haben sich seit dem 19. Jahr. 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% des weltweiten Energiebedarfes wird durch elektrische Energie gedeckt. Spitzenreiter im Verbrauch dieses Anteils sind mit ca. 20% elektrische Antriebe. Danach ist die Beleuchtung mit 19%, die Klimatechnik mit 16% und die Informationstechnik mit 14% am weltweiten elektrischen Energiebedarf beteiligt.


Energieträger

Erschöpfliche Energieträger

Fossile Energieträger

Kohle (Steinkohle, Braunkohle)

Torf

Erdöl

Ölsande/Ölschiefer

Erdgas

Gashydrat (noch ungenutzt auf dem Meeresboden)

Kernbrennstoffe

Uran (Kernspaltung)

Plutonium (Kernspaltung)

Wasserstoff (Deuterium und Tritium in Kernfusionsreaktoren)

Erneuerbare Energieträger

Bioenergie/Biomasse = chemische Energie

Geothermie = thermische Energie

Gezeitenkraft meist potentielle Energie

Solarenergie auch Strahlungsenergie

Wasserkraft meist primär potentielle Energie

Wellenenergie = potentielle und kinetische Energie

Windenergie = kinetische Energie

Alle Stoffe haben chemische Energie, welche bei chemischen Reaktionen gewandelt wird.

Primäreenergie:

Ist die Energie in der Form, wie sie in der Natur vorkommt, z.B. Rohöl. Bis zum Verbraucher wird Primärenergie über Endenergie in Nutzenergie umgewandelt. Dieser Vorgang (beim Beispiel Rohöl in der Raffinerie) ist mit Verlusten behaftet, weshalb die Energiemenge, die im Rohstoff enthalten ist, nicht zur Gänze vom Verbraucher genutzt werden kann. Je nach Energieträger sind diese Verluste unterschiedlich hoch.


Nutzenergie:


Die Form der Energie, in der sie tatsächlich vom Anwender verwendet wird, wird Nutzenergie genannt. Als Nutzenergieformen kommen Wärme, Licht, mechanische Energie, chemisch gebundene Energie und Signalenergie in Frage.

Die Nutzenergie wird aus der Endenergie beim Anwender umgewandelt.

Für die Heizung bedeutet dies z.B. die Umwandlung des Heizöls (Endenergieform) in Wärme (Nutzenergieform), das Gerät zur Umwandlung ist der Heizkessel. Wie auch schon bei der Umwandlung von der Primärenergie in die Endenergie treten hierbei Verluste auf.


Joule

Das Joule ist die abgeleitete SI-Einheit der gleichnamigen Größen Energie, Arbeit und Wärmemenge. Benannt ist die Einheit nach James Prescott Joule. Nach den unterschiedlichen Arten der Herleitung sind auch die Bezeichnungen Newtonmeter und Wattsekunde gebräuchlich:

1 Joule = 1 Newton · 1 Meter = 1 N · 1 m = 1 Watt · 1 Sekunde = 1 W · 1 s = 1 Coulomb · 1 Volt = 1 C · 1 V

Ein Joule ist also gleich der Energie, die benötigt wird, um über die Strecke von einem Meter die Kraft von einem Newton aufzuwenden, bzw. für die Dauer einer Sekunde die Leistung von einem Watt aufzubringen.

In SI-Basiseinheiten berechnet sich ein Joule als:

1 J = 1 \frac\cdot\mathrm^2}^2}





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