Energie

Dieser Artikel befasst sich mit der physikalischen Größe Energie; zu weiteren Bedeutungen siehe Energie (Begriffsklärung).

Energie ist eine physikalische Zustandsgröße. Das üblichste Formelzeichen ist E, jedoch werden für verschiedene Formen der Energie zum Teil auch andere Buchstaben verwendet. Ihre SI-Einheit ist das Joule.

Energie bedeutet in der Physik die im System gespeicherte Arbeit oder die Fähigkeit des Systems, Arbeit zu verrichten. Dabei wird der Unterschied zu einem Referenz-Zustand (Energie-Nullniveau) betrachtet. Die Energie kann in verschiedenen Energieformen auftreten, beispielsweise mechanisch, thermisch, etc.

Der Begriff "Energie" wurde von dem schottischen Physiker William John Macquorn Rankine im Jahr 1852 im heutigen Sinn in die Physik eingeführt und leitet sich aus dem Griechischen ab: ἐν = in, innen und ἔργον = Werk, Wirken. Der neue Begriff Energie war notwendig, damit keine Verwechslung mit dem Begriff "Kraft" möglich ist.

Früher wurde versucht, Energie mit dem Kraftbegriff zu definieren und gelangte zu Begriffen wie "lebendige Kraft" und "Erhaltung der Kraft". Dies ist einerseits physikalisch falsch, andererseits kann dies nur für mechanische Energie angewandt werden - bei anderen Energieformen (thermisch, chemisch, etc.) ist die Definition der Energie über den Kraftbegriff sinnlos.

Die Energie E eines Systems lässt sich selbst nicht direkt messen. Man kann Hilfsgrößen messen und daraus den Betrag errechnen.

Energie ist eine Erhaltungsgröße: Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System bleibt konstant (Energieerhaltungssatz).

Inhaltsverzeichnis

1 Energieformen
2 Umwandlung der Energieformen und Energienutzung
- 2.1 Geschlossenes System
- 2.2 Energieerhaltungssatz
3 Energieversorgung und -verbrauch
4 Energieträger
- 4.1 Erschöpfliche Energieträger
  - 4.1.1 Fossile Energieträger
  - 4.1.2 Kernbrennstoffe
- 4.2 Erneuerbare Energieträger
5 Formeln
6 Größenordnungen
7 Siehe auch
8 Weblinks

Energieformen

Bei den physikalischen Vorgängen treten viele verschiedene Energieformen auf, die hier zu vier Gruppen zusammengefasst sind. Da diese Einteilung willkürlich ist, gibt es Sammelbegriffe für Energieformen, die spezielle Energieformen aus unterschiedlichen Gruppen kombinieren. Energie ist, unabhängig von der Energieform, eine charakterisierende Größe für den Zustand eines Systems, eine so genannte Zustandsgröße.

Dabei gilt der Energieerhaltungssatz: Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Die Energie wird deshalb in diesen Fällen als eine Erhaltungsgröße bezeichnet. Erst bei einem Energie-Fluss über die Systemgrenzen hinweg (Energie-Zufuhr oder -Abfuhr) ändert sich die Gesamtenergie des Systems.

Mechanische Energie

Die Energie eines mechanischen Systems kann immer als Summe von kinetischer und potenzieller Energie dargestellt werden. Die beiden Begriffe werden über die klassische Mechanik und die Quantenmechanik hinaus in fast allen Bereichen der Physik verwendet.

Kinetische Energie wird auch als Bewegungsenergie bezeichnet. Sie wird durch die Bewegung eines Systems gegenüber einem anderen System und durch seine Masse bestimmt und setzt sich aus Translationsenergie und Rotationsenergie zusammen.
Potentielle Energie wird auch als Lageenergie bezeichnet. In der Mechanik ist sie die Energie eines Systems, die es durch seine Lage in einem Kraftfeld besitzt, zum Beispiel im Gravitationsfeld der Erde. Auch die Elastische Energie (siehe unten) wird zur Potentiellen Energie gezählt.
Schwingungsenergie: Schwingungen sind allgemein (auch über die Mechanik hinaus) durch einen periodischen Wechsel zwischen zwei Energieformen charakterisiert. Beim Pendel wechselt die potentielle Energie bei maximaler Auslenkung mit der gleich großen kinetischen Energie während des Durchgangs durch die Ruhelage ab.
Elastische Energie ist die potentielle Energie der aus ihrer Ruhelage verschobenen Atome oder Moleküle in einem elastisch deformierten Körper, beispielsweise einer mechanischen Feder. Allgemein bezeichnet man die Energie, die bei der elastischen oder plastischen Verformung in dem Körper gespeichert (oder freigesetzt) wird, als Deformationsenergie.
Schallenergie: Beim Schall schwingen die Atome in Folge der Elastizität eines Festkörpers oder der Kompression einer Flüssigkeit oder eines Gases im Takt der Frequenz zwischen der potenziellen Energie der Auslenkung aus ihrer Ruhelage und der kinetischen Energie beim Durchgang durch diese Ruhelage. Der Begriff akustische Energie bezieht sich auf alle akustischen (teils nicht von Menschen wahrnehmbare) Schwingungen.
Wellenenergie ist ein Sammelbegriff, der nicht nur auf die akustischen Wellen zutrifft, sondern auf alle räumlich ausgebreiteten Schwingungsphänomene wie z. B. Wasserwellen und elektromagnetische Wellen.

Weder Schwingungs-, noch Schall- noch Wellen-Energie sind eigene Energien als Zustandsgrößen, denn Schwingung, Schall und Welle beschreiben in der Zeit ablaufende Vorgänge, also keine Zustände. In den Erläuterungen werden auch richtig die Energien (potentielle und kinetische) genannt, die als mechanische Energien alleine bei diesen Vorgängen wesentlich sind.

Elastische Energie ist die potentielle Energie in der Ruhelage. Wird ein Körper aus der Ruhelage verschoben, so ergibt sich eine potentielle Energieänderung, die durch die Verschiebung bewirkt wird und die in die Energiebilanz gehört.

Solche unscharfen Erläuterungen zu Energien erschweren ihre sorgfältigen Definitionen.

Thermische und innere Energie

Thermische Energie ist die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der Atome oder Moleküle eines Stoffes gespeichert ist. Thermische Energie wird umgangssprachlich oft auch fälschlicherweise als Wärmeenergie, Wärmeinhalt oder Wärmemenge bezeichnet. Die Erscheinungsformen der thermischen Energie werden durch die Thermodynamik beschrieben. Ein anschauliches Beispiel für die komplexen Abhängigkeiten der dabei zu beobachtenden physikalischen Phänomene ist das Schmelzen von Eis und das Entstehen von Wasserdampf aus Wasser durch Zufuhr von thermischer Energie.

Die Summe aus thermischer Energie, Schwingungsenergie im Körper und Bindungsenergie bezeichnet man als Innere Energie. (Strenggenommen ist der Begriff innere Energie ein Pleonasmus, wie etwa nasser Regen oder weißer Schimmel, da die Vorsilbe "En" bereits für "in" steht; vgl. die Etymologie im Einleitungsabschnitt).

Elektrische und magnetische Energie

Elektrische Energie ist u.a. als potenzielle Energie im elektrostatischen Feld von elektrischen Ladungen (z.B. in Kondensatoren) gespeichert. In größeren Mengen lässt sie sich jedoch nicht speichern. In Kraftwerken und Batterien wird sie daher z.B. aus Wärmeenergie bzw. chemischer Energie erzeugt, über Stromleitungen zu den Verbrauchern transportiert und bei den Verbrauchern in andere Energieformen verwandelt (Kraft, Licht, Wärme).
Magnetische Energie ist in magnetischen Feldern 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, welche in der chemischen Bindung von Atomen oder Molekülen enthalten ist. Sie wird bei exothermen Reaktionen frei und muss für endotherme Reaktionen hinzugefügt werden.
Kernenergie: Energie der Bindung der Protonen und Neutronen im Atomkern. Sie wird bei einer Kernreaktion in die Bindungsenergie der Reaktionsprodukte, also neuer Atomkerne umgesetzt, und in verschiedene Arten von Strahlung.

Masse

Nach der speziellen Relativitätstheorie sind Masse und Energie äquivalent. Das bedeutet, dass der Ruhemasse von Teilchen eine bestimmte Energiemenge, die sogenannte Ruheenergie

$E = m \cdot c^2$

entspricht. Diese kann bei bestimmten Vorgängen in andere Energieformen umgewandelt werden und umgekehrt. So haben die Reaktionsprodukte der Kernspaltung und der Kernfusion messbar niedrigere Ruhemassen als die Ausgangsstoffe. In der Elementarteilchenphysik wird umgekehrt auch die Erzeugung von Teilchen und damit von Ruheenergie aus anderen Energieformen beobachtet.

In der klassischen Mechanik wird die Ruheenergie nicht mitgerechnet.

Umwandlung der Energieformen und Energienutzung

Geschlossenes System

In der Physik wird oft mit Denkmodellen gearbeitet. In Gedanken kann man fordern, was in der Natur nicht möglich ist.

So versteht man unter einem "geschlossenem System" einen Raum, aus dem keine Materie und keine Energie entweichen darf. Jetzt kann man die Vorgänge innerhalb dieses Systems untersuchen und zu Schlussfolgerungen gelangen.

Anschließend versucht man technisch oder im Experiment einem solchen Gedankenmodell möglichst nahe zu kommen.

Bezogen auf Wärmeenergie wäre dies beispielsweise eine gute Isolierung des Raums.

Energieerhaltungssatz

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. In einem geschlossenen System gilt daher der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist. Man bezeichnet Energie als Erhaltungsgröße. Die Energieerhaltung ist über das Noether-Theorem eine Folge der Unabhängigkeit der physikalischen Gesetze von der Zeit.

In offenen Systemen hat die Energie Neigung, den zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig auszufüllen. Die dabei auftretenden und zu beobachtenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen zur Entropie, einer thermodynamischen Zustandsgröße mit dem gleichen Stellenwert wie die Energie.

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- oder Geschwindigkeitsänderung.

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 (elektr. Heizung, Glühlampe) und die Umwandlung der elektrischen Energie mit Hilfe des Elektromagnetismus über magnetische Felder in kinetische Energie (Elektromotor).

Chemische Energie eines Brennstoffs wird bei der Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt oder in Verbrennungsmotoren (als Kraftstoff) in kinetische Energie umgewandelt. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motoren wird ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie direkt in Abwärme 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 Elektrizitätswerken wird elektrischer Strom 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 Energieumwandlungen
	Mechanische Energie	Thermische Energie	Strahlungsenergie	Elektrische Energie	Chemische Energie	Nukleare Energie
Mechanische Energie	Getriebe	Bremsen	Synchrotronstrahlung	Generator	Eischnee	Reaktionen im Teilchenbeschleuniger
Thermische Energie	Dampfturbine	Wärmeübertrager	Glühendes Metall	Thermoelement	Hochofen	Supernova
Strahlungsenergie	Radiometer	Solarkollektor	Nichtlineare Optik	Solarzelle	Photosynthese	Kernphotoeffekt
Elektrische Energie	Elektromotor	Elektroherd	Blitz	Transformator	Akkumulator
Chemische Energie	Muskel	Ölheizung	Glühwürmchen	Brennstoffzelle	Kohlevergasung	Isomerieverschiebung
Nukleare Energie	schnelle Neutronen	Sonne	Gammastrahlen	Innere Konversion	Radiolyse	Brutreaktor

Energieversorgung und -verbrauch

Mit Energieversorgung und -verbrauch(*) wird die Nutzung von verschiedenen Energien in für Menschen gut verwendbaren Formen bezeichnet. Die von Menschen am häufigsten benutzten 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.

Die verschiedenen Energieträger können über Leitungen die Verbraucher erreichen, wie typischerweise elektrischer Energie, Erdgas, Fernwärme und Nahwärme, oder sie sind weitgehend lagerfähig und beliebig transportfähig, wie z. B. Steinkohle und Braunkohlen, Heizöle, Kraftstoffe (Benzine, Dieselkraftstoffe), Industriegase, Kernbrennstoffe (Uran), Biomassen (Holz u. a.).

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

(*) Energie kann nicht im eigentlichen Sinne verbraucht werden, sie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. (Energieerhaltungssatz). Bei einer Energieumwandlung treten oft Energieformen auf, die man in der gegebenen Situation nicht nutzen kann (z.B. Wärmeenergie durch Reibung), der tatsächlich nutzbare Anteil ist dann kleiner als 100% (Wirkungsgrad).

Energieträger

Hauptartikel: Energieträger

Erschöpfliche Energieträger

Fossile Energieträger

Kohle (Steinkohle, Braunkohle)
Torf
Erdöl
Ölsande/Ölschiefer
Erdgas
Gashydrat (noch ungenutzt auf dem Meeresboden)

(alles chemische Energie)

Kernbrennstoffe

Uran (Kernspaltung)
Plutonium (Kernspaltung)
Wasserstoff (Deuterium und Tritium in Kernfusionsreaktoren)

(alles Kernenergie)

Erneuerbare Energieträger

Hauptartikel: Erneuerbare Energie

Bioenergie/Biomasse (chemische Energie)
Geothermie (thermische Energie)
Solarenergie (Strahlungsenergie)
Wasserkraft (potentielle und kinetische Energie)
Windenergie (kinetische Energie)

Formeln

Alle unten aufgeführten Formeln gelten nur in einem bestimmten Bezugssystem, bzw. bei einem beliebig definierten Null-Niveau, an dem $E = 0$ gilt. Der erhaltene Zahlenwert für die Energie ist also immer vom Bezugspunkt abhängig.

Potentielle Energie in einem homogenen Gravitationsfeld: $E_{\rm pot} \approx m \cdot g \cdot h = F_{\rm G} \cdot h$ ist gleich Gewichtskraft mal Höhe. Für das Schwerefeld eines Himmelskörpers mit Radius $R p$ ist sie nur eine Näherung für hinreichend kleine Raumgebiete. Genauer ist: $E_{\rm pot} = mgh\frac{R_{\rm p}}{R_{\rm p}+h}$ .

Potentielle Energie einer gespannten Feder (daher auch Spannenergie genannt): $E_{\rm pot} = {1 \over 2}\cdot D \cdot s^2$ , wobei D die Federkonstante und s die Auslenkung der Feder aus der Ruhelage ist.

Energie eines geladenen Plattenkondensators: $E = \frac{Q^2}{2C}$ , wobei Q die Ladung und C die Kapazität ist.

Äquivalenz von Masse und Energie: $E = m c^2 = \frac{m_0 \cdot c^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$ , wobei $m 0$ die Ruhemasse des Körpers und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Energie von Lichtquanten (Photonen) $E_{\rm Photon} = h \cdot f$ , wobei h das Planck’sche Wirkungsquantum und $f$ die Frequenz ist. Die Energiesumme aller Lichtquanten ergibt die gesamte Strahlungsenergie.

Klassische kinetische Energie: $E_{\rm kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$

Relativistische kinetische Energie: $E_{kin} = E - E_0 = \frac{m_0 \cdot c^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} - m_0 \cdot c^2 = m_0 c^2\left(\frac{1}{\sqrt{ 1 - \frac{v^2}{c^2}}} - 1\right)$

Energie eines Erdbebens: $E=10^{\frac{3}{2}(M-2)}$ , wobei M die Magnitude auf der Richterskala ist und E die Einheit „Tonnen TNT“ besitzt.

Arbeit (Energieänderung) $W = \Delta E = \int P(t)\mathrm{d}t$ , wobei P die Leistung und t die Zeit ist.

Bemerkungen:

Die hier aufgeführten "Formeln" sind die Definitionen der verschiedenen Energien als Zustandsgrößen. Formeln, z. B. die für den freien Fall, sind die mathematische Darstellung für den Vorgang.
Für alle Energiedefinitionen wird ein großes E für Energie verwendet, obwohl in einigen Fällen nicht Energien E, sondern bezogene Energien e definiert werden. Die "Federenergie" ist die auf eine Feder bezogene Energie e = E / Feder. Jede Energieform E_j besteht aus einer Quantitätgröße M_j und der bezogenen Energie e_j: E_j = M_j e_j. Nur die so definierten Energieformen E_j treten primär in Energiebilanzen auf.
Arbeit ist keine energetische Zustandsgröße, wie die anderen hier definierten Energieformen. Arbeit ist eine Vorgangsgröße, die eine Energieänderung in einem System bewirken kann. Eine andere übliche Definition ist Arbeit ist $W =\int F \mathrm{d}s$

Größenordnungen

Die folgende Aufstellung soll helfen, ein Gefühl für die Größenordnungen von Energie zu erhalten. Der Hauptartikel findet sich unter Größenordnung (Energie).

1 J = 1 Ws = 1 Nm: potentielle Energie, die beim Anheben einer Schokoladentafel (ca. 100 g) um 1 Meter in dieser gespeichert wird.
3,6·10⁶ J = 3600 kJ = 3600 kWs = 1 kWh: Abrechungseinheit für Strom, Gas usw. Ein Europäischer Privathaushalt benötigt pro Jahr ca. 2000 - 4000 kWh an elektrischer Energie, wenn nicht mit Strom geheizt wird.
2,9·10⁷ J = 8,141 kWh = 1 kg SKE: eine Steinkohleeinheit entspricht der Energiemenge, die beim Verbrennen von 1 kg Steinkohle umgewandelt wird. Dies ist ein gängiges Maß bei der Angabe von Primärenergie-Mengen. (1998 betrug der weltweite Primärenergie-Umsatz 14,1 Gt SKE = 390·10¹⁸ J)
1 eV = 1,602 176 462(63) · 10^-19 J: Die Einheit Elektronvolt wird unter anderem in der Festkörper-, Kern- und Elementarteilchenphysik verwendet. Ein Photon von violettem Licht hat eine Energie von ca 3 eV, eines von rotem ca. 1,75 eV.