Energiedichte

Die Energiedichte bezeichnet in der Physik die Verteilung von Energie $E$ auf eine bestimmte Größe $X$ , und hat folglich immer die Gestalt $w = \frac{dE}{dX}$ . Am häufigsten wird sie verwendet als

ein Maß für die Energie pro Raumvolumen eines Stoffes (volumetrische Energiedichte, Einheit Joule/m³)
ein Maß für die Energie pro Masse eines Stoffes (gravimetrische Energiedichte, Einheit Joule/kg).

Doch letztendlich kann man zu jeder physikalischen Größe eine entsprechende Energiedichte definieren.

Inhaltsverzeichnis

1 Volumetrische Energiedichte
- 1.1 Energiedichte elektromagnetischer Wellen
- 1.2 Energiedichte im Plattenkondensator
2 Gravimetrische Energiedichte
- 2.1 Beispiele
3 Weitere Energiedichten
4 Siehe auch

Volumetrische Energiedichte

Energiedichte elektromagnetischer Wellen

Aus den Maxwell-Gleichungen kann man schließen, dass die maximale Energieabgabe elektromagnetischer Wellen in einem Stoff proportional zum Quadrat der Feldamplituden ist. Elektrisches und magnetisches Feld tragen gleichermaßen bei:

$w = \frac{1}{2}(\vec E \cdot \vec D + \vec H \cdot \vec B)$

Energiedichte im Plattenkondensator

Die Energie eines geladenen Plattenkondensators berechnet sich durch $W=\frac{1}{2}CU^2$

Für die Kapazität gilt: $C=\epsilon_0 \epsilon_r \frac{A}{d}$ ; durch Einsetzen erhält man für die Energie $W=\frac{1}{2}\epsilon_0 \epsilon_r\frac{A}{d}E^2d^2$

Dies führt auf die Energiedichte

$\rho_{el} = \frac{W}{V}=\frac{1}{2} \epsilon_0 \epsilon_r E^2$

Gravimetrische Energiedichte

Die Energiedichte von Brennstoffen nennt man Heizwert, die von Batterien Kapazität pro Volumen oder Kapazität pro Masse. Beispielsweise beträgt die Energiedichte eines Lithium-Polymer-Akku 140 - 180 Wattstunden pro kg Masse (140 -180 Wh/kg), ein Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) 80 Wh/kg.

Gewünscht ist eine hohe Energiedichte, um Transportkosten gering zu halten. Beispielsweise kann ein Modellhubschrauber mit einer Zuladung von 80 Gramm 5 Minuten lang fliegen, wenn er seine Energie aus einem NiMH-Akku bezieht. Mit einem Lithium-Polymer-Akku der gleichen Masse bleibt er doppelt so lange in der Luft.

Beispiele

Stoff/System	Energiedichte in MJ/kg	Bemerkung
Elektrolytkondensator	0,00005	= 50 J/kg
Doppelschicht-Kondensator	0,02
Adenosintriphosphat (ATP)	0,0643	Energiespeicher in biologischen Zellen
Bleiakkumulator	0,11
Ni-Cd Akku	0,14	Quelle Batterien: [1]
NiMH-Akku	0,22
Kohle-Zink Batterie	0,23
Li-Ionen Akku	0,36
Alkali-Mangan-Batterie	0,45
Li-Polymer-Akku	0,55
Trinitrotoluol	ca. 4,0	Oxidator ist im Molekül enthalten
stärkste Sprengstoffe	ca. 7	Oxidator ist im Molekül enthalten
Zink-Luft-Batterie	1,2	Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Wasserstoff (inkl. Hydridtank)	ca. 1,19	Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Wasserstoff (ohne Tank)	119,9	Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Atomarer Wasserstoff	216	spontane Reaktion zu molekularem Wasserstoff
Steinkohle	30	Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Pflanzenöl	37	Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Kerosin	40	Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Dieselkraftstoff	39,6 - 43,2	Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Benzin	43	Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Radioisotopengenerator	ca. 5.000	elektrisch (60.000 MJ/kg thermisch)
Kernspaltung Natururan (0,72% U-235)	648.000
Kernspaltung U-235	90.000.000
Kernfusion (Kernwaffe)	300.000.000
Proton-Proton-Reaktion	627.000.000	Wichtigste Fusionsreaktion in der Sonne
Umwandlung von Masse in Energie	90.000.000.000