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Potenzielle Energie

Potenzielle Energie (auch potentielle Energie) eines Körpers ist Energie, die dieser aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld (etwa dem Schwerefeld der Erde) hat oder die beispielsweise durch die Spannung einer Feder gespeichert ist. Solche Energie bedeutet quasi die Potenz (Fähigkeit, Möglichkeit), um später beispielsweise einen Gegenstand zu beschleunigen, also ihm Bewegungsenergie (kinetische Energie) zuzuführen.

Eine große Rolle spielt potenzielle Energie im Zusammenhang mit verschiedenen Arten von Energiespeichern. Nicht jede gespeicherte Energie gilt aber als potenzielle Energie – beispielsweise nicht Wärme, die durch Reibung entsteht, oder eine elektromagnetische Strahlung wie Licht. Als potenzielle Energie gilt nur "hochwertige" (entropiefreie) Energie, die beispielsweise später theoretisch verlustfrei in mechanische Energie oder elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Bei vielen Prozessen erfolgt eine Umwandlung von potenzieller Energie in andere Energieformen oder umgekehrt. Grundsätzlich gilt das Prinzip der Energieerhaltung, welches oft auch bei Berechnungen nutzbringend angewendet werden kann. Danach wird etwa einem System genau so viel potenzielle Energie entzogen, wie Energie in anderen Formen daraus gewonnen wird.

Häufig wird ein Nullpunkt für potenzielle Energie durch Konvention festgelegt. Beispielsweise kann man die potenzielle Energie eines Körpers im Schwerefeld der Erde so definieren, dass sie entweder an der Erdoberfläche null wird oder aber in unendlich großer Entfernung von der Erde. (Letzteres ist in der Physik üblich.) Praktisch relevant sind in der Regel nur Änderungen der potenziellen Energie, und diese sind von solchen Definitionen unabhängig.

Potenzielle Energie im Schwerefeld der Erde

Der Begriff taucht häufig in der klassischen Mechanik und der Energietechnik auf, besonders oft im Zusammenhang mit dem Schwerefeld der Erde. Wenn etwa ein Aufzug Gegenstände nach oben befördert, wird dafür (wesentlich mehr als für die Überwindung von Reibung) Antriebsenergie benötigt, dass die Gegenstände gegen die Schwerkraft (Erdanziehung) bewegt werden müssen. Die beförderten Gegenstände gewinnen dann aber in entsprechender Menge potenzielle Energie. Diese wird wieder frei (und ggf. nutzbar), wenn die Gegenstände wieder nach unten gebracht werden. Beispielsweise kann eine nach unten gehende Aufzugskabine über ein Seil und eine Rolle eine andere Kabine nach oben ziehen; potenzielle Energie geht dann von der einen auf die andere Kabine über.

Weil die potenzielle Energie im Schwerefeld von der (Höhen-)Lage eines Körpers abhängt, wird sie auch als Lageenergie bezeichnet. Natürlich hängt die potenzielle Energie aber nicht nur von der Lage ab, sondern auch von der Masse des Körpers, weil diese seine Gewichtskraft bestimmt.

Großtechnisch wird potenzielle Energie vor allem mithilfe von Wasser gespeichert, da dieses oft gut verfügbar, leicht mit Rohrleitungen und energieeffizienten Pumpen beweglich und ökologisch unbedenklich ist. Siehe hierzu den Artikel über Wasser-Speicherkraftwerke.

Potenzielle Energie in anderen Kraftfeldern

Potenzielle Energie kann ebenfalls in anderen physikalischen Kraftfeldern auftreten, etwa in elektrischen und magnetischen Feldern. Wenn beispielsweise zwei sich gegenseitig abstoßende Magnete durch äußere Kräfte gegen ihre Abstoßungskraft einander angenähert werden, wird dabei potenzielle Energie aufgebaut. Dasselbe gilt für ein elektrisch geladenes Teilchen, welches durch eine äußere Kraft gegen eine wirkende elektrische Kraft bewegt wird. Auch Energie, die in einem elektrisch aufgeladenen Kondensator gespeichert ist, ist potenzielle Energie.

Grundsätzlich lassen sich solche Effekte auch dadurch beschreiben, dass die Energie des Feldes vergrößert wird. Man lokalisiert bei diesem Ansatz die potenzielle Energie gedanklich also nicht in einem Körper, sondern räumlich verteilt in einem Feld, welches auch in einem Vakuum liegen kann. Ein beweglicher Körper ist nach dieser Anschauung also nicht der Ort der gespeicherten Energie, sondern lediglich ein Instrument, mit dem diese eingespeichert oder entnommen werden kann. In manchen Fällen kann potenzielle Energie auch am einfachsten über die Energie des jeweiligen Feldes berechnet werden, da dessen Energiedichte sich direkt aus der Feldstärke ergibt.

Uneingeschränkt sinnvoll sind Betrachtungen potenzieller Energie nur in sogenannten konservativen Kraftfeldern. Beispielsweise wäre das Schwerefeld der Erde nicht konservativ, wenn die Stärke der Schwerkraft tageszeitlich variieren würde (was natürlich nicht der Fall ist, bzw. nur in minimalem Umfang durch einen gewissen Massenaustausch der Erde mit der Atmosphäre v. a. im Zusammenhang mit Niederschlägen). Es gäbe dann keinen eindeutigen Zusammenhang mehr zwischen der Lage eines Körpers im Schwerefeld und der gespeicherten potenziellen Energie. Dasselbe gilt für ein elektrisch geladenes Teilchen in einem oszillierenden elektromagnetischen Feld, etwa einer Lichtwelle.

Zu einem konservativen Kraftfeld gehört ein sogenanntes Potenzial als rechnerische Größe, welche definiert werden kann als die ortsabhängige potenzielle Energie eines Körpers, dividiert durch dessen Ladung oder Masse. Beispielsweise ist das Potenzial des Schwerefeld der Erde die Lageenergie eines Körpers dividiert durch seine Masse, was zu Einheiten von J/k (Joule pro Kilogramm) führt. Das Potenzial bedeutet quasi die spezifische potenzielle Energie.

Potenzielle Energie durch Deformation und Kompression

Potenzielle Energie tritt als Deformationsenergie auch auf, wenn ein Körper elastisch verformt wird. Beispielsweise kann eine gespannte Feder potenzielle Energie speichern, die später wieder abrufbar ist.

Ähnliches gilt für die Kompression von anderen Körpern, Flüssigkeiten und Gasen. Beispielsweise gibt es Druckluftspeicherkraftwerke, bei denen potenzielle Energie durch Kompression von Luft gespeichert wird. Hier ist die Energiebilanz allerdings etwas komplizierter, da bei der Kompression oder Expansion von Gasen auch deren Temperatur verändert wird, wodurch auch Wärme eine wichtige Rolle spielt.

Siehe auch: Energie, mechanische Energie, Bewegungsenergie, Energiespeicher