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Energie

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Definition: eine physikalische Größe, die zusammenhängt mit der Fähigkeit, Arbeit zu leisten oder andere Dinge zu vollbringen

Englisch: energy

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

Formelsymbol: E

Einheit: Joule (J), Kilowattstunde (kWh)

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.03.2010; letzte Änderung: 28.07.2016

Der Begriff “Energie” spielt in verschiedensten Gebieten der Physik und der Technik eine sehr wichtige Rolle – beispielsweise in der Thermodynamik und der Kraftwerkstechnik. Obwohl er in der Physik zunächst auf einem relativ abstrakten Konzept basiert, kann er mit großem Nutzen auch in einer intuitiven Weise verwendet werden. Physikalisch Gebildete erkennen mit ihrem geistigen Auge Energieströme selbst in unzähligen Alltagssituationen, z. B. wenn Sonnenlicht durch ein Fenster ins Zimmer fällt, ein Fahrzeug anfährt oder bremst, oder wenn ein Strahl heißen Wassers im Küchenabfluss verschwindet.

Energiemengen und Einheiten

Energie kann quantitativ erfasst werden. Die Grundeinheit der Energie im System der internationalen Einheiten (SI-System) ist das Joule (J). Etwa diese Energiemenge wird benötigt, um auf der Erde einen Gegenstand von 1 kg Masse um ca. 10 cm anzuheben (unabhängig davon, wie schnell man das tut). Größere Energiemengen können mit davon abgeleiteten Einheiten angegeben werden:

Alle Energieformen können mit den gleichen Einheiten quantifiziert werden, da sie zumindest teilweise ineinander umgewandelt werden können.

Beispielsweise kann eine Atombombe hunderte von Terajoule oder gar mehrere PJ freisetzen. Der weltweite Primärenergieumsatz pro Jahr beträgt derzeit etwas über 400 EJ.

Gebräuchlich sind ferner folgende Einheiten:

Energieerhaltung

Die Energieerhaltung gehört zu den grundlegendsten physikalischen Gesetzen. Eine Verletzung dieses Prinzips wurde noch nie überzeugend nachgewiesen.

Energie ist in der Physik eine “Erhaltungsgröße”, was im Wesentlichen bedeutet, dass die gesamte Energiemenge eines abgeschlossenen Systems weder zu- noch abnehmen kann – unabhängig davon, welche physikalischen oder chemischen Prozesse ablaufen. Jedoch kann ein nicht abgeschlossenes System Energie mit seiner Umgebung austauschen. Beispielsweise empfängt die Erde stetig große Mengen von Strahlungsenergie (hauptsächlich infrarotes und sichtbares Licht) von der Sonne und gibt gleichzeitig etwa dieselbe Menge als Wärmestrahlung in den Weltraum ab. Ebenfalls kann Energie zwischen verschiedenen Energieformen (siehe unten) umgewandelt werden, wobei sich die Mengen der einzelnen Formen ändern können und nur die gesamte Energiemenge erhalten bleibt.

Siehe auch die Artikel über Energieerhaltung, das Perpetuum Mobile und die Hauptsätze der Thermodynamik, von denen der erste die Energieerhaltung betrifft.

Energieformen

Energie kommt in sehr unterschiedlichen Formen vor:

Es gibt viele Formen von Energie, die zumindest teilweise ineinander umgewandelt werden können.

Grenzen für Energieumwandlungen; Qualitäten von Energie

Wenn verschiedene Formen der Energie ineinander umgewandelt werden, bleibt zwar die gesamte Energie hierbei erhalten; es geht also in diesem Sinne keine Energie verloren. Jedoch wird häufig nicht alle Energie in die gewünschte Energieform umgewandelt. Der Anteil der erhaltenen gewünschten Energieform wird als Wirkungsgrad bezeichnet.

Längst nicht jede Energieumwandlung, die den Energieerhaltungssatz erfüllen würde, ist physikalisch möglich. Die Entropie setzt hier oft enge Grenzen.

Grenzen für die Möglichkeiten, Energie von bestimmten Formen in andere umzuwandeln, resultieren teilweise aus im Prinzip vermeidbaren technischen Unvollkommenheiten, teilweise aber aus grundlegenden physikalischen Gesetzen. Insbesondere gilt letzteres für die Umwandlung von Wärme in mechanische Energie oder elektrische Energie: Wärmekraftmaschinen können höchstens den sogenannten Carnot-Wirkungsgrad erreichen, welcher vom verfügbaren Temperaturgefälle abhängig ist. Dies resultiert aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und kann auch damit erklärt werden, dass die vollständige Umwandlung von Wärme in mechanische Energie die Gesamt-Entropie vermindern würde, was grundsätzlich nicht möglich ist, mit welchem technischen Prozess auch immer.

Geld wert ist nur Exergie, d. h. hochwertige Energie. Anergie ist unbegrenzt verfügbar, aber nur mit Hilfe von Exergie nutzbar.

Man kann verschiedenen Energieformen unterschiedliche “Qualitäten” oder Wertigkeiten zuordnen, die umso höher sind, je weniger eingeschränkt die Umwandlung in andere Energieformen ist. In diesem Sinne sind mechanische Energie und elektrische Energie die hochwertigsten Energieformen; sie sind reine Exergie, anders gesagt Energie ohne Entropiegehalt. Wärme hat eine niedrigere Wertigkeit, die umso höher ist, je mehr ihr Temperaturniveau von dem der Umgebung abweicht. Die geringste Qualität hat Umgebungswärme (Anergie), die zwar in praktisch unbegrenzten Mengen zur Verfügung steht, jedoch nicht ohne zusätzliche Verwendung von Exergie (z. B. für den Antrieb einer Wärmepumpe) nutzbar ist.

Bedeutung von Energie für Wohlstand und Umwelt

Energie ist entscheidend für das Überleben der Menschheit, aber gleichzeitig bedroht uns ihre Nutzung auf vielfältige Weisen. Insbesondere riskieren wir durch die unmäßige Nutzung fossiler Energieträger eine Klimakatastrophe.

Die industrielle Revolution basierte zu einem erheblichen Teil auf der Entwicklung von Techniken, mit denen große Mengen von Energie für die Nutzung erschlossen wurden. Vor allem in den Industrieländern werden heute enorme Energiemengen umgesetzt, und die Bedeutung der Energieversorgung für den Wohlstand ist überaus groß.

Andererseits gibt es eine Reihe von negativen Nebenwirkungen des enormen Energieumsatzes, insbesondere Schädigungen der Umwelt (z. B. durch Klimagefahren und giftige Schadstoffe) und damit auch der Lebensgrundlagen der Menschheit. Hinzu kommen politische und gesellschaftliche Probleme, die sich insbesondere durch die zunehmende Verknappung fossiler Energieträger zukünftig noch erheblich verschärfen dürften. Aus diesen Gründen wächst die Einsicht in die Notwendigkeit einer grundlegenden Energiewende, welche nicht nur die Energieerzeugung (genauer die Methoden der Bereitstellung nutzbarerer Energie) betrifft, sondern auch den effizienten und sparsamen Einsatz von Energie (→ Energiesparen, Suffizienz, Energieeffizienz).

Literatur

[1]Extra-Artikel: Rechnen mit Energie und Leistung
[2]World Energie Outlook, eine jährlich erscheinende Publikation der Internationalen Energieagentur (IEA) mit Analysen zur weltweiten Energieversorgung und von ökologischen Aspekten, http://www.worldenergyoutlook.org/aboutweo/; deutsche Übersicht von 2015: https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/WEO2015_ES_GERMAN.pdf

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Energieträger, Energieerhaltung, Arbeit, Leistung, Kraft, Joule, Primärenergie, Endenergie, Energieeffizienz, Exergie, Anergie, Entropie, Enthalpie, Thermodynamik, Energiesparen, Suffizienz, Energieverbrauch, Energiesteuer, externe Kosten, Energiewende, Energiearmut
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, physikalische Grundlagen

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