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Energie

 

[französisch, von griechisch enérgeia »wirkende Kraft«] die, -/...'gi |en,  

 1) allgemein: Tatkraft, Schwung, (körperliche und geistige) Spannkraft.

 

 2) Physik und Technik: Formelzeichen E oder W, die in einem physikalischen System gespeicherte Arbeit (Arbeitsvermögen), d. h. die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten. Die Änderung der Energie bei einem im betrachteten System ablaufenden Vorgang ist gleich der von außen am System verrichteten oder nach außen abgegebenen Arbeit. Je nach Gegebenheiten von System und Vorgang unterscheidet man verschiedene Erscheinungsformen der Energie, die an das Vorhandensein von materiellen Körpern, ihre Bewegungen und Wechselwirkungen gebunden sind (z. B. die verschiedenen Formen der mechanischen Energie, die elektrische Energie von fließenden elektrischen Ladungen, die Wärmeenergie, die chemische Energie und die Kernenergie) oder die mit physikalischen Feldern verknüpft sind und als Feldenergie bezeichnet werden (z. B. die Feldenergie der elektrischen und magnetischen Felder, der elektromagnetischen Wellen oder des Gravitationsfeldes). Alle Energieformen sind ineinander umwandelbar. Für die Summe aller in einem abgeschlossenen System auftretenden Energien gilt ein Erhaltungssatz, der Energiesatz.

 

In der Mechanik sind verschiedene Formen von mechanischer Energie bekannt: Ein Körper besitzt aufgrund seiner Lage relativ zu anderen Körpern und der auf ihn wirkenden Kräfte gegenüber einem Normalzustand eine bestimmte Lageenergie oder potenzielle Energie (Formelzeichen E_pot). So besitzt ein Körper der Masse m im Schwerefeld der Erde in der Höhe h über dem Erdboden die potenzielle Energie E_pot = mgh (bei als konstant angenommener Fallbeschleunigung g). Ein weiteres Beispiel ist die Wechselwirkungsenergie von mehreren, durch Kräfte aufeinander einwirkenden Körpern oder Teilchen. Bei elastischen Körpern tritt bei elastischer Deformation eine Deformationsenergie oder Formänderungsenergie auf. Diese elastische Energie kann als eine Art der potenziellen Energie betrachtet werden. Wird z. B. eine Feder mit der Federkonstanten k um die Länge x gedehnt, dann ist in ihr die Energie E_pot = ½ kx² gespeichert. Hat andererseits ein Körper der Masse m relativ zu einem (nicht beschleunigten) Koordinatensystem die Geschwindigkeit v, so besitzt er die Bewegungs- oder kinetische Energie E_kin = ½ mv²; hat er bei einer Drehbewegung die Winkelgeschwindigkeit ω, so besitzt er die Rotationsenergie E_rot = ½ I ω² (I = Trägheitsmoment um die Drehachse). Besteht das System aus vielen Teilchen, dann ergibt sich die gesamte kinetische Energie als Summe der kinetischen Energien der einzelnen Teilchen. Sie kann aufgespalten werden in die kinetische Energie der makroskopisch sichtbaren Bewegungen - d. h. die kinetische Energie des Schwerpunktes und der Rotation sowie bei strömenden Fluiden die Strömungsenergie - und die kinetische Energie des statistisch ungeordneten Anteils der Teilchenbewegungen, die thermische Energie der Teilchen oder die Wärmeenergie des Systems als Ganzes. - Im Falle mechanischer Schwingungen (z. B. von Federn oder Pendeln) wandelt sich ständig kinetische Energie in potenzielle Energie um und umgekehrt, wobei die als Schwingungsenergie bezeichnete Gesamtenergie (= Summe beider Energien) konstant bleibt.

 

In der Elektrizitätslehre wird bei Systemen ruhender oder bewegter elektrischen Ladungen die Summe aus den kinetischen Energien der Ladungen und der Feldenergie des von ihnen erzeugten elektrischen Feldes als elektrische Energie bezeichnet, zu der noch im Falle bewegter Ladungen (d. h. beim Fließen von elektrischen Strömen) die entsprechende magnetische Energie der von ihnen erzeugten Magnetfelder hinzukommt. Aufgrund der elektromagnetischen Induktion sind magnetische Energien in elektrische Energien und umgekehrt umwandelbar. Für einen metallischen Leiter, auf dem sich die Ladung Q befindet, wird die elektrische Energie durch E_el = ½ Q V gegeben, wenn V das auf dem Leiter konstante elektrische Potenzial ist. Die in einem auf die Spannung U aufgeladenen Kondensator (der Kapazität C) gespeicherte elektrische Feldenergie beträgt E_el = ½ CU². Allgemein ist die Feldenergie eines elektrischen Feldes der Feldstärke E durch das Volumenintegral seiner Energiedichte w_el = ½ E · D gegeben (D = elektrische Flussdichte). - Ein stationärer elektrischer Strom mit der Stromstärke I gibt beim Durchfließen eines Leiters (zwischen dessen Enden die Spannung U besteht) während der Zeitspanne Δt die elektrische Energie E_el = U · I · Δt ab. Wenn der Strom keine mechanische oder chemische Arbeit verrichtet, erscheint diese Energie im Leitungsdraht (Widerstand) als Stromwärme (joulesches Gesetz). Ein vom Strom I durchflossener Leiter (z. B. eine Spule) mit der (Selbst-)Induktivität L ist von einem Magnetfeld umgeben, in dem die magnetische Feldenergie E_mag = ½ L I² gespeichert ist. Dieser Energiebetrag muss zur Erzeugung des Magnetfeldes aufgewendet werden und wird wieder frei, wenn der Stromfluss unterbrochen wird. Allgemein ist die Feldenergie eines Magnetfeldes der Feldstärke H durch das Volumenintegral seiner Energiedichte w_mag = ½ H · B gegeben (B = magnetische Flussdichte). Bei Vorgängen der Elektrodynamik (Elektrizität) sind die elektrischen und magnetischen Felder miteinander verknüpft (maxwellsche Theorie), und die gesamte elektromagnetische Feldenergie ist als Summe der einzelnen Feldenergien gegeben. In elektromagnetischen Wellen breitet sich diese Energie im Raum aus.

 

In der Wärmelehre wurde gezeigt, dass die Wärmemenge (Formelzeichen Q ) eine Form der Energie ist und die in einem makroskopischen (thermodynamischen) System gespeicherte thermische Energie oder Wärmeenergie darstellt. Diese lässt sich auf die mit den statistisch ungeordneten Wärmebewegungen der Teilchen verknüpften mechanischen Energie zurückführen (mechanische Wärmetheorie), z. B. bei einem Gas auf die kinetische Energie (Translationsenergie) der Gasteilchen sowie (falls es sich bei ihnen um mehratomige Moleküle handelt) auf ihre Rotationsenergie und auf die Schwingungsenergie ihrer gegeneinander schwingenden Atome, wobei im Allgemeinen der Gleichverteilungssatz der Energie gilt. - Für die in beliebigen thermodynamischen Systemen möglichen Energieumwandlungen gelten die Hauptsätze der Thermodynamik. Dabei wird derjenige Anteil der Gesamtenergie eines solchen Systems, der sich ihm isotherm (d. h. unter Konstanthalten seiner Temperatur) durch einen geeigneten, stets irreversiblen (nicht umkehrbaren) Prozess in jeder beliebigen Energieform (z. B. mechanische Energie) entziehen lässt, als freie Energie, der verbleibende Anteil als gebundene Energie bezeichnet.

 

Die in der Chemie bei einer chemischen Reaktion umgesetzte und in der entstehenden chemischen Verbindung gespeicherte chemische Energie ist gleich der gesamten, bei der chemischen Bindung der Atome zu den Molekülen der Verbindung frei werdenden und zur Reaktionswärme beitragenden chemischen Bindungsenergie; führt man sie der Verbindung wieder zu, so werden deren Moleküle wieder in ihre Atome aufgelöst. Dies ist auch der Fall bei elektrochemischen Reaktionen, wo z. B. beim Entladen eines Akkumulators gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie verwandelt, beim Laden hingegen zugeführte elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und als solche gespeichert wird.

 

In der Kernphysik wird die Bindungsenergie der Nukleonen in den Atomkernen sowie die bei Kernreaktionen frei werdende Energie unter der Sammelbezeichnung Kernenergie zusammengefasst. Hierbei macht sich die gegenüber der chemischen Energie millionenfach höhere Kernbindungsenergie als Massendefekt der Atomkerne bemerkbar, da in jeder Masse m nach der Relativitätstheorie die Energie E = mc² gespeichert ist (c = Lichtgeschwindigkeit). Da sie pro Nukleon für mittelschwere Kerne am größten ist, kann Kernenergie sowohl durch Kernfusion leichter Kerne als auch durch Kernspaltung schwerer Kerne gewonnen werden. - Entsprechendes gilt in der Elementarteilchenphysik für die Bindung der Quarks in den Mesonen und Baryonen sowie für die verschiedenen Elementarteilchenreaktionen der Hochenergiephysik, wobei Elementarteilchen gemäß dem Energiesatz und der obigen Energie-Masse-Relation entstehen und vergehen können.

 

In der Technik unterscheidet man bei der Energieerzeugung und -versorgung die in natürlichen Energieträgern wie Kohle, Erdöl, Erdgas, Kernbrennstoffen sowie die in Wasser, Wind, Sonnenstrahlung u. a. Trägern von erneuerbaren Energien enthaltene Primärenergie und die daraus durch Umwandlung gewonnene Sekundärenergie, die in erster Linie in Form von elektrischer, aber auch mechanischer, thermischer oder (z. B. in Briketts, Koks, Benzin) chemischer Energie vorliegt. Die von einem Verbraucher bezogene Sekundärenergie wird als Endenergie, die davon zur Erfüllung einer bestimmten Arbeits- oder Energieleistung genutzte Energie als Nutzenergie bezeichnet.

 

Gesetzliche Einheiten

 

der Energie sind die SI-Einheit Joule (Einheitenzeichen J) sowie alle Produkte aus einer gesetzlichen Krafteinheit und einer gesetzlichen Längeneinheit, besonders die SI-Einheit Newtonmeter (1 Nm = 1 J), oder aus einer gesetzlichen Leistungseinheit und einer gesetzlichen Zeiteinheit, besonders die SI-Einheit Wattsekunde (1 Ws = 1 J) und die SI-fremde Kilowattstunde (kWh). Eine SI-fremde, aber gesetzliche Einheit der Energie ist das Elektronvolt (Einheitenzeichen eV), das v. a. in der Atom-, Kern-, Elementarteilchen- und Festkörperphysik verwendet wird. In der Wärmelehre und Chemie wurde früher die Kalorie (cal) und das Erg (erg) verwendet.

 

Geschichte:

 

Obwohl G. W. Leibniz bereits 1686 Vorstellungen entwickelte, die den heutigen Begriffen der kinetischen und potenziellen Energie in der Mechanik weitgehend entsprechen, erfolgte die Klärung des Begriffs Energie erst im 19. Jahrhundert nach der Entdeckung und Formulierung des Energiesatzes durch J. R. von Mayer, J. P. Joule und H. von Helmholtz (1842-47). Während C. G. de Coriolis und J. V. Poncelet bereits 1828/29 den Begriff »Arbeit« definierten, erfolgte die Einführung des Begriffs »Energie« in die Physik als die für alle ihre Bereiche gültige Verallgemeinerung des bis dahin verwendeten Begriffs »lebendige Kraft« (»vis viva«) 1851/52 durch W. Thomson und W. J. M. Rankine. Eine wichtige Bedeutungserweiterung erfuhr der Begriff, als 1905 A. Einstein aus der speziellen Relativitätstheorie die allgemeine Äquivalenz von Masse und Energie folgerte. Diese Äquivalenz tritt heute v. a. in der Kernenergie in Erscheinung.

 

Literatur:

 

G. Falk u. W. Ruppel: E. u. Entropie (1976);

 

Naturerscheinung E., hg. v. K. Wenk u. a. (1977);

 

Das E.-Hb., hg. v. G. Bischoff u. a. (⁴1981);

 M. Grathwohl: E.-Versorgung (²1983);

 K. Heinloth: E. (1983);

 J. Fricke u. W. L. Borst: E. (²1984);

 O. Höfling: E.-Probleme (²1986).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Energie: Umwandlung und Transport