was ist Energie?

3.1 worum geht es?

Energie ist ein Maß dafür, wie viel Arbeit jemand oder etwas verrichten kann“. Doch was heißt das?

In der Antwort steckt eine wichtige Information. Energie ist so etwas wie ein Vorrat , also ein Zustand. Dagegen passiert bei der Arbeit etwas, es läuft ein Prozess ab. Man kann also sagen: Wird einem System Energie zugeführt, so steigt dessen Arbeitsfähigkeit.

Ähnliches gilt im Übrigen für den Begriff der Wärme. Auch Wärme ist eine Prozessgröße. Wird einem Körper Wärme zugeführt, so wandelt sich dessen Zustand. Seine Energie, z. B. seine thermische Energie (kinetische und potenzielle Energie der Teilchen) verändert sich. Man kann also nicht sagen, ein System (z. B. ein Körper) hat Wärme, sondern nur, dass einem System Wärme zu- oder abgeführt wird.

Der physikalische Energiebegriff ist noch gar nicht so alt: Er wurde vor gerade mal rund 150 Jahren eingeführt. Gemessen wird die Energie in der Maßeinheit „Joule“; daneben sind noch andere Einheiten in Gebrauch, weil die Energiemengen, mit denen man im (physikalischen) Alltag zu tun hat, sehr unterschiedlich sind.

Vor dem Start am höchsten Punkt der Achterbahn steht der Waggon fast still – und trotzdem steckt Energie in ihm. Man nennt sie Lageenergie (potenzielle Energie). Du wirst sie in den nächsten Abschnitten noch genauer kennen lernen.

Diese Energie verwandelt der Achterbahnzug auf dem Weg abwärts in Bewegungsenergie (kinetische Energie). Während der Wagen anschließend wieder in die Höhe saust, wird er langsamer, weil sich seine Bewegungsenergie wieder in Lageenergie umwandelt.

  3.2Was ist das überhaupt - Energie?

Auf diese Frage – die schwer mit einem Satz zu beantworten ist – antworten Physiker gerne: „Energie ist ein Maß dafür, wie viel Arbeit jemand oder etwas verrichten kann“. Doch was heißt das?

In der Antwort steckt eine wichtige Information. Energie ist so etwas wie ein Vorrat , also ein Zustand. Dagegen passiert bei der Arbeit etwas, es läuft ein Prozess ab. Man kann also sagen: Wird einem System Energie zugeführt, so steigt dessen Arbeit(sfähigkeit).

Ähnliches gilt im Übrigen für den Begriff der Wärme. Auch Wärme ist eine Prozessgröße. Wird einem Körper Wärme zugeführt, so wandelt sich dessen Zustand. Seine Energie, z. B. seine thermische Energie (kinetische und potenzielle Energie der Teilchen) verändert sich. Man kann also nicht sagen, ein System (z. B. ein Körper) hat Wärme, sondern nur, dass einem System Wärme zu- oder abgeführt wird.

Der physikalische Energiebegriff ist noch gar nicht so alt: Er wurde vor gerade mal rund 150 Jahren eingeführt. Gemessen wird die Energie in der Maßeinheit „Joule“; daneben sind noch andere Einheiten in Gebrauch, weil die Energiemengen, mit denen man im (physikalischen) Alltag zu tun hat, sehr unterschiedlich sind.
 
 

3.3Arbeit und Leistung

Arbeit und Energie werden in der gleichen Einheit gemessen. Genau genommen sind Physikerinnen und Physiker hier etwas ungenau. Das Maß für Arbeit ist in Wirklichkeit ein Energie-Unterschied, während die Energie in absoluten Werten gemessen wird. Das wird vielleicht klarer, wenn Du Dir folgendes Spiel ansiehst. Wie viel Arbeit bedeutet es, einen Koffer hoch zu heben? Beim Hochheben änderst Du die Lageenergie des Koffers. Die Formel für diese Energie lautet:

E = m · g · h

Dabei ist m die Masse eines Gegenstandes (Koffer), g die «Erdbeschleunigung» (9,81 m · s hoch minus 2) und h die aktuelle Höhe über dem Erdboden. Unten hat der Koffer also eine andere Lageenergie als oben (Gib zum Start die Masse des Koffers in das Feld ein und probier's aus ihn mit der Maus anzuheben!) Der Unterschied ist die Arbeit, die man beim Hochheben leistet. Wie viel Joule macht das bei Deiner eigenen Tasche?

 

           Leistung

Und Vorsicht: Einige Begriffe solltest Du nicht mit Energie bzw. Arbeit verwechseln. Dazu gehört die Leistung. Die Leistung misst, wie viel Arbeit pro Zeit verrichtet wird.

Auch die Kraft ist etwas anderes als Energie und Arbeit, sie hängt aber folgendermaßen damit zusammen: Die Kraft drückt zum Beispiel aus, wie stark ein Gegenstand beschleunigt oder eine Feder zusammengepresst wird, und wird in Newton (N) gemessen. Wirkt eine Kraft entlang einer Wegstrecke, so wird Arbeit verrichtet. Die Energie des Systems steigt.

Ein Beispiel gefällig? Drückt man eine Feder mit einer Kraft um eine bestimmte Wegstrecke zusammen, so leistet man Arbeit. Diese Arbeit wird der Feder zugeführt. Hinterher steckt also mehr Energie in der Feder, die so genannte Spannenergie.

„Leistung ist Arbeit pro Zeit“ Die Einheit ist daher einfach „Joule pro Sekunde“.

1 J • s^-1 = 1 N • m • s^-1 = 1 m² • kg • s^-3 = 1 W

Elektrische Leistung misst man in „Watt“ (W). Ein Watt ist dasselbe wie ein Joule pro Sekunde.

3.4Energie ist eine Verwandlungskünstlerin

 Im Alltag spricht man davon, dass Energie „erzeugt“ oder „verbraucht“ wird – in Wirklichkeit kann man Energie aber nicht „herstellen“ oder „vernichten“.

Energie nimmt – innerhalb eines abgeschlossenen Systems – nie ab (Energieerhaltungssatz). Sie wird immer nur umgewandelt.

Energie ist daher eine große Verwandlungskünstlerin. Immer, wenn Arbeit verrichtet wird, wandelt sie sich von einer Energieform in eine andere um. Daher existiert die Energie in zahlreichen Erscheinungsformen. Ein Beispiel: Wenn Du mit dem Fahrrad zur Schule fährst, verwandelt sich z. B. chemische Energie in Deinen Muskeln zu Bewegungsenergie.

Eine ganz spezielle Form der Energieumwandlung ist übrigens die zwischen Masse und Energie, die bei allen Kernreaktionen eine Rolle spielt. 

Energieerhaltungssatz

Das, was in der Physik ein "abgeschlossenes System" genannt wird, kannst Du Dir wie den Raum unter einer Glasglocke vorstellen, durch die keine Energie hinein und hinaus dringen 

Dann gilt: Die gesamte Energie unter der Glasglocke bleibt immer erhalten, egal, was darunter passiert – auch, wenn sie in unterschiedliche Energieformen umgewandelt wird. Das ist die Kernaussage eines der wichtigsten Sätze der Physik, des "Energieerhaltungssatzes" oder "Ersten Hauptsatzes der Thermodynamik". Das Universum stellt vermutlich ein solches abgeschlossenes System dar.

Weil bei solchen Umwandlungsprozessen immer ein Teil der Energie in thermischer Energie umgewandelt (als Wärme abgeführt) wird und sich unter der Glasglocke verteilt, herrscht darin irgendwann (unter Umständen nach sehr langer Zeit) überall die gleiche Temperatur. Man nennt das den „Wärmetod des Systems“. Die Energie ist dann aber nicht „aufgebraucht“, sondern nur ganz gleichmäßig in der Glasglocke verteilt. Es gibt keine wesentlichen Energieunterschiede mehr, so dass keine Arbeit mehr geleistet werden kann.



Verschiedene Energieformen