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Energie

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 (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.03.2010; letzte Änderung: 03.11.2018

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:

  • 1 kJ (Kilojoule ) = 1000 J = 103 J
  • 1 MJ (Megajoule) = 1000 kJ = 106 J
  • 1 GJ (Gigajoule) = 1000 MJ = 109 J
  • 1 TJ (Terajoule) = 1000 GJ = 1012 J
  • 1 PJ (Petajoule) = 1000 TJ = 1015 J
  • 1 EJ (Exajoule) = 1000 PJ = 1018 J

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:

  • 1 cal (Kalorie) = 4,19 J ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um ein Gramm flüssiges Wasser um 1 °C (genauer: um 1 Kelvin) zu erwärmen. Die Kilokalorie (1 kcal = 1 Cal = 4,19 kJ) ist die tausendfache Menge hiervon. Kalorien (meist in Form von Kilokalorien, wobei das “Kilo” leider oft vergessen wird) sind noch gebräuchlich im Zusammenhang mit Nahrungsmitteln.
  • 1 kWh (Kilowattstunde) = 3 600 000 J = 3,6 MJ ist die Energie, die bei einer Leistung von 1 kW innerhalb von einer Stunde umgesetzt wird.
  • 1 SKE (Steinkohleeinheit) wird beim Verbrennen von 1 kg Steinkohle freigesetzt. Sie entspricht 8,141 kWh oder 29 MJ.
  • 1 RÖE (Rohöleinheit, engl. OE = oil equivalent) entspricht 41,868 kJ. 1 Mtoe (Million Tonnen Öläquivalent) entspricht somit 41,868 PJ.
  • 1 BTU (British Thermal Unit) entspricht ca. 1055 J. Diese Einheit ist z. B. in den USA noch gebräuchlich für den Energiegehalt von Kraftstoffen und Brennstoffen.

Energieerhaltung

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:

  • Mechanische Energie wird benötigt, um beispielsweise Körper zu beschleunigen oder anzuheben, also mechanische Arbeit zu leisten. Beispielsweise benötigt man 12,5 J, um einen Gegenstand der Masse 1 kg auf die Geschwindigkeit von 5 m/s zu bringen; diese Menge kinetischer Energie nimmt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu, würde also für 10 m/s bereits 50 J betragen. Mechanische Energie kann gespeichert werden, etwa in angehobenen Massen (Bsp.: Lageenergie = potenzielle Energie von Wasser in einem hoch gelegenen Reservoir eines Wasser-Speicherkraftwerks) oder als elastische Energie (Bsp.: gespannte Feder oder Druckluftspeicher).
  • Wärmeenergie wird benötigt, um Materie zu erwärmen. Beispielsweise benötigt man 4,19 kJ, um einen Liter Wasser um 1 °C (genauer: um 1 Kelvin) zu erwärmen. Latente Wärme tritt auf bei Phasenumwandlungen wie z. B. dem Schmelzen von Eis. Viele andere Energieformen lassen sich leicht vollständig in Wärme umwandeln, während Umwandlungen in der umgekehrten Richtung meist nur teilweise möglich sind. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gibt über solche Beschränkungen nähere Auskunft.
    Das Entziehen von Wärme (Kühlen) ist einfach, wenn ein entsprechendes kühleres Medium (etwa kaltes Wasser) zur Verfügung steht. Insbesondere bei sehr tiefen Temperaturen erfordert jedoch die Bereitstellung von Kälte mit einer Kältemaschine einen Aufwand z. B. von elektrischer Energie.
  • Licht ist ebenfalls eine Energieform. Außer dem sichtbaren Licht gibt es auch unsichtbare Formen elektromagnetischer Strahlung, die sich ähnlich wie sichtbares Licht ausbreiten: infrarotes Licht (Wärmestrahlung) und ultraviolettes Licht. Eine räumlich und zeitlich sehr gezielte und intensive Energiezufuhr ist möglich in der Form von Laserlicht, was bei der Lasermaterialbearbeitung ausgenutzt wird. Siehe auch den Artikel über Beleuchtung.
  • Elektrische Energie ist eine sehr universell verwendbare Energieform. Sie lässt sich gut in mechanische Energie umwandeln und umgekehrt, und auch die Umwandlung in anderer Energieformen wie Licht oder chemische Energie ist relativ einfach zu bewerkstelligen, wenn auch mit höheren Energieverlusten. Außerdem lässt sich elektrische Energie über elektrische Leitungen (z. B. Hochspannungsleitungen) gut transportieren.
  • Chemische Energie ist Energie, die sich bei chemischen Prozessen freisetzen lässt. Beispielsweise lässt sich Wärme und (weniger effizient) Licht bei Verbrennungsprozessen erzeugen, und in Brennstoffzellen wird chemische Energie direkt und relativ effizient in elektrische Energie umgewandelt. Die fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas enthalten alle chemische Energie. In der Zukunft könnten sekundäre chemische Energieträger wie Wasserstoff wichtig werden (vor allem für die Speicherung von Energie), auch wenn sie zunächst z. B. mit elektrischer Energie gewonnen werden müssen. Tiere und Menschen leben ebenfalls von chemischer Energie, die in Form von Nahrungsmitteln aufgenommen wird.
  • Kernenergie (nukleare Energie) ist Energie, die bei Umwandlungen von Atomkernen freigesetzt wird. Es kann sich bei diesen Prozessen insbesondere um die Kernspaltung und die Kernfusion handeln, jedoch auch um einfache radioaktive Zerfälle. Diese Energie wird zunächst in Form von hochenergetischer Strahlung frei, die dann im umgebenden Material absorbiert und in Wärme umgewandelt wird.

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.

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.

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

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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