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Energie in drei Formen: Potenzial, kinetisch und im Inneren

Potentielle, kinetische und Verformungsenergie werden sukzessive ineinander umgewandelt

Energie ist eine grundlegende körperliche Größe, die eine messbare Eigenschaft eines physikalischen Phänomens ist. Eine allgemeingültige Kurzdefinition ist wegen der Vielzahl physikalischer Phänomene nicht möglich, Thermal-, mechanisch, Strahlung, chemisch, usw. Energie wird auf viele verschiedene Arten gemessen. Allen diesen Messungen ist gemein, dass die Ergebnisse gleich ausgedrückt werden können physikalische Einheit.

Das SI-Einheit der Energie ist Joule. Da alle Energiearten in dieser Einheit ausgedrückt werden, sind sie vergleichbar. Z.B. Die bei der Verbrennung einer Tonne Kohle freigesetzte Wärme ist vergleichbar mit dem Strom, den eine Windmühle in einer bestimmten Zeit erzeugt, obwohl diese Energiemengen sehr unterschiedlich gemessen wurden.

Energie wird manchmal als die Fähigkeit bezeichnet, Arbeit oder, allgemeiner, die Möglichkeit, Veränderungen herbeizuführen. Energie kann auch als essentielle natürliche Ressource angesehen werden, da sie von Lebewesen verbraucht, produziert und genutzt wird, siehe Energie (Wirtschaft).

Allgemeines

Die Energiezunahme eines mechanischen Systems ist die Gesamtarbeitsmenge, die verrichtet werden muss, um vom Grundzustand in die gegenwärtige Situation zu gelangen. Zum Beispiel, wie viel Arbeit es kostet, ein schweres Objekt vom Boden aus auf einen Tisch zu stellen, oder wie viel Arbeit es braucht, um eine zuvor entspannte Schraubenfeder um eine bestimmte Strecke zusammenzudrücken.

Die Gesamtenergie eines Systems ist die Summe aller auf unterschiedliche Weise gespeicherten Energieformen. Energie ist ein Zustandsfunktion das heißt, die Energiemenge ist unabhängig von der Vorgeschichte. Dabei spielt es beispielsweise keine Rolle, ob eine Feder zuerst komprimiert und dann auf den Tisch gehoben wurde oder umgekehrt.

Wird das System nicht gestoppt, versucht es immer, die freie Energie zu minimieren: Die Feder rollt vom Tisch und entspannt sich wieder. Wenn sich ein System in einem solchen Zustand minimaler Energie befindet, ist es in Balance.

Die Gesamtenergiemenge in einem geschlossenen System (dh kein Material oder Strahlung kann ein- oder austreten) bleibt immer gleich; das nennt man Energieerhaltungssatz. Die Gesamtenergie eines Systems ist die Summe aller mikroskopischen und makroskopischen Energien, nämlich; thermische, mechanische, kinetische, potentielle, elektrische, magnetische, chemische und nukleare Energie. Das innere Energie (U) eines Systems ist durch die Summe aller mikroskopischen Energien gegeben; alle oben genannten außer kinetischer, potentieller und mechanischer Energie Bei vielen Prozessen wird eine Energieart in eine andere umgewandelt. Bei einem Gasherd zum Beispiel wird die chemische Energie im Gas konvertiert zu Wärme. Und wenn ein Gegenstand fällt, Gravitationsenergie oder potenzielle Energie konvertiert zu kinetische Energie oder kinetische Energie.

Energie wird oft verwechselt mit Leistung: Dies ist jedoch Energie pro Zeiteinheit. Wer eine Küchentreppe erklimmt, braucht theoretisch genauso viel Energie, wie wenn er gleich hoch springt. Das Springen erfolgt in kürzerer Zeit und erfordert daher mehr Kraft. Ein optisches Beispiel ist auch das Heben eines Klaviers mit einem Uhrenmotor: Bei einem schwachen Motor dauert das Heben eines schweren Gegenstandes viel Zeit, ist aber möglich (wenn wir die Reibung vernachlässigen).

Die Intensität, mit der ein Mensch verschiedene Energieformen wahrnimmt, weicht manchmal vom objektiv messbaren physikalischen Wert dieser Energie ab. Zum Beispiel werden ungefähr 40 kJ (40.000 Joule) benötigt, um eine Tasse Wasser zum Siedepunkt zu bringen. Mit der gleichen Energiemenge könnte man einen ein Kilogramm schweren Ziegelstein von der Erdoberfläche in 4 km Höhe werfen oder einen 4-Tonnen-Stadtbus einen Meter heben. (Abgesehen von Umwandlungs- und Reibungsverlusten.)

Etymologie

Das Wort Energie kommt aus dem Griechischen ἐνέργεια Energie, die wahrscheinlich zuerst in der Arbeit von verwendet wird Aristoteles im 4. Jahrhundert v.

Einheit

Neben der SI-Einheit Joule werden je nach Anwendung weitere Energieeinheiten verwendet. Das Watt Sekunde (Ws) und die Newtonmeter (Nm) sind identisch mit Joule. Das Newtonmeter wird jedoch selten für Energie verwendet, da Nm auch die SI-Einheit von a . ist Paar ist. Für elektrische Energie ist die Kilowattstunde (kWh) verbraucht.

Energie und Masse

Albert Einstein in seinem abgeschlossen spezielle Relativitätstheorie von 1905 unter anderem, dass Energie gleich Masse ist, obwohl die praktische Bedeutung davon damals noch völlig unklar war. Das Äquivalenz von Masse und Energie wird in der wohl berühmtesten aller physikalischen Formeln dargestellt:

${displaystyle E=mc^{2}}$

mit E die Gesamtenergie, ich das Restmenge im Kilogramm und c die Konstante Lichtgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde.

Eine anhaltende Fehlinterpretation dieser Formel ist, dass es möglich wäre, Energie zu erzeugen oder zu verschwinden, indem Energie in Masse umgewandelt wird oder umgekehrt. Allerdings sind da Kernreaktionen wobei die Gesamtmasse der Endprodukte etwas geringer ist als die der Ausgangsprodukte und zwar Energie freigesetzt wird, aber es ist falsch zu sagen, dass Masse in Energie „umgewandelt“ wurde. Wenn Sie die Kernreaktion in einem geschlossenen System messen würden, würden Sie die vom Kern freigesetzte Energie an einer anderen Stelle in diesem System finden. Das gleiche gilt für die Masse, die aus dem Kern verschwunden ist. Lässt man beispielsweise die Kernreaktion in einem geschlossenen Behälter mit Wasser ablaufen, aus dem keine Energie entweicht, werden die Kerne leichter und (weil!) verlieren sie Bindungsenergie. Die innere Energie des Wassers nimmt zu (weil es wärmer wird) und auch die Masse des Wassers nimmt zu (weil die innere Energie zugenommen hat). Das geschlossene System enthält danach die gleiche Menge an Energie und Masse wie zuvor. Stellt man den geschlossenen Wasserbehälter auf eine Waage, zeigt er vor und nach dem Start der Kernreaktion die gleiche Masse an.

Da die Lichtgeschwindigkeit etwa . beträgt ${displaystyle 3cdot 10^{8}}$ m/s und wird ebenfalls in die Formel quadriert, 1 kg Masseverlust macht ${Displaystil 9cdot 10^{16}}$ Joule Energie. Ein großes Kraftwerk in den Niederlanden mit einer Nennleistung von 600 MW produziert noch nicht ${displaystyle 2cdot 10^{16}}$ Joule pro Jahr.

Dabei ist zu beachten, dass die obige Formel nur für stationäre Teilchen gilt. Es ist eine Vereinfachung der Vollversion dieser Einstein-Formel, die die Bewegung relativ zu einem Koordinatensystem berücksichtigt:

${displaystyle E={sqrt {m^{2}c^{4}p^{2}c^{2}}}}$

mit E die Gesamtenergie, ich das Restmenge, c das Lichtgeschwindigkeit und p Die grosse von Impuls. Bei stationären Teilchen ist die Geschwindigkeit und damit auch der Impuls gleich Null, was wiederum die berühmte Vereinfachung ergibt.

Energieformen

Im Rahmen der Naturwissenschaften Es werden verschiedene Energieformen definiert. Diese schließen ein:

• Chemische Energie
• Elastische Energie
• Elektrische Energie
• Elektromagnetische Energie
• Schall Energie
• Gravitationsenergie (Energieänderung im Gravitationsfeld: siehe auch Potenzielle Energie)
• Kernenergie (Kernenergie)
• Kinetische Energie (kinetische Energie)
• Lichtenergie
• Magnetische Energie
• Masse (E=mc²)
• Strahlung
• Wärme (Wärmeenergie)

Thermodynamik und freie Energie

In dem Thermodynamik es wird unterschieden zwischen den Energie oder Enthalpie (huh) wie oben beschrieben, und die freie Energie (G). Die freie Energie enthält einen Term für die Unordnung des Systems namens Entropie (so). Der Teil der Energie, der in technische umgewandelt werden kann Arbeit indem eine Substanzmenge auf Umgebungsbedingungen (Umgebungsdruck und -temperatur) gebracht wird, heiß Exergie.

Die Thermodynamik erklärt, warum mit heißem Dampf Strom gemacht werden kann und nicht mit einer größeren Menge lauwarmen Wassers bei gleichem Energieinhalt, oder anders ausgedrückt, warum eine Dampfmaschine nie einen 100%igen Wirkungsgrad hat, sondern nur einen Teil der zugeführten Energie geht im Kühlwasser verloren.

Sozial

sehen Energie (Wirtschaft) für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Die Energiefrage bezieht sich auf das Problem, dass vor allem die reichen Länder zunehmend countries Elektrizität und Wärme wollen produzieren solange Vorrat fossile Brennstoffe (Kohle, Gas und Öl) nimmt ab. Vor allem die aufstrebende Wirtschaftsmacht China trägt auch maßgeblich zum weltweiten Anstieg des Energiebedarfs bei. Darüber hinaus trägt die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Luftverschmutzung und zu den befestigten Treibhauseffekt. Also suchen wir fleißig nach Alternativen, am besten erneuerbaren Energiequellen, der Gegenstand vieler öffentlicher Debatten ist. Wasserkraft ist eine relativ unumstrittene Energiequelle, die seit Jahrhunderten in Bergregionen der Erde genutzt wird. Die Konstruktion von Stauseen kann jedoch zu Spannungen mit der lokalen Bevölkerung führen, die von der Regierung zur Umsiedlung gezwungen wird. Gezeitenenergie ist nur an Orten gewinnbringend, an denen die Meeresküste eine geeignete Form hat und die natürliche Gezeitenbewegung stört und die Umwelt beeinträchtigt. Solarenergie und Windenergie sind im Prinzip unerschöpflich, reichen aber vorerst noch nicht aus, um eine vollwertige Alternative zu fossilen Brennstoffen zu bilden. Kernenergie die gewonnen wird von Kernspaltung kann im Prinzip viel mehr Energie liefern, aber es gibt auch Nachteile durch radioaktiven Abfall, die potenziell größeren Katastrophen bei Unfällen in Kernkraftwerken (obwohl die Wahrscheinlichkeit dafür gering ist) und die Förderung der Proliferation von Atomwaffen. Auf Dauer kontrolliert Kernfusion als relativ saubere, sichere und nahezu unerschöpfliche Energiequelle, doch nach jahrzehntelanger Forschung sind die technischen Probleme noch lange nicht gelöst.

Siehe auch Energie sparen

Freie Energie?

Eine Folge der Energieerhaltungssatz ist, dass es nicht möglich ist, ein Experiment durchzuführen, das von selbst erzeugt Energie. Es ist daher nicht möglich, dass ein Gerät von selbst dreht und läuft weiter, ohne dass Energie von außen zugeführt wird. Oft so wie Perpetuum Mobile (buchstäblich: ständig in Bewegung) "erfunden", aber es stellte sich heraus, dass es sich bei allen um Energie von außen handelte oder das Gerät irgendwann zum Stillstand kam.

Egal wie sorgfältig eine Maschine konstruiert ist, es ist unvermeidlich, dass ein Teil der Bewegung durch Reibung in Wärme umgewandelt wird. Es gibt keine Luftreibung im Raum, aber die Maschine hat immer noch Reibung zwischen ihren eigenen Teilen. Es ist möglich, Wärme in mechanische Energie umzuwandeln, wie in a Dampfmaschine, aber diese Art von "Wärmekraftmaschinen" hat keinen 100%igen Wirkungsgrad. Es ist daher nicht möglich, die gesamte Wärme in Arbeit umzuwandeln Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik eine solche Wärmekraftmaschine kann Arbeit verrichten, indem sie zulässt, dass Wärme zu einem Reservoir mit einer niedrigeren Temperatur strömt. Um jedoch die gesamte Wärme in Arbeit umzuwandeln, hätte dieses Reservoir eine Temperatur von 0 K muss und behalten. Aber in a geschlossenes System dieser Vorratsbehälter bleibt nicht so kalt: Die Temperatur im System wird irgendwann überall gleich und die Maschine kommt zum Stillstand.

Siehe auch

• Effizienz (Energie)