Energie und Arbeit

Ein Kran oder ein Hubschrauber hebt einen Behälter in eine bestimmte Höhe. Dabei wird Hubarbeit verrichtet. Die potenzielle Energie des Behälters vergrößert sich.

Beim Anfahren und Beschleunigen eines Pkw wird an ihm Arbeit verrichtet, die man als Beschleunigungsarbeit bezeichnet. Die an dem Pkw verrichtete Beschleunigungsarbeit erhöht dessen kinetische Energie.

In einem Fitness-Center kann man mit speziellen Geräten die Armmuskulatur kräftigen. Dabei werden Federn gedehnt oder Massestücke angehoben. Bei Federn wird Federspannarbeit verrichtet, bei Massestücken Hubarbeit. Dabei ändert sich deren Energie. Allgemein gilt:

Die von einem System oder an einem System verrichtete Arbeit ist gleich der Änderung seiner Energie.

W = Δ E

Für die oben genannten speziellen Fälle lassen sich die Zusammenhänge auch folgendermaßen formulieren:

Art der ArbeitÄnderung der Energiemathematischer Zusammenhang
Hubarbeit

 
führt zur Änderung der
potenziellen Energie
W H = F G h = Δ E p o t W H = m g h = Δ E p o t
Beschleunigungs-arbeitführt zur Änderung
der kinetischen
Energie
W B = F s = Δ E k i n W B = m a s = Δ E k i n

Federspannarbeit

 

führt zur Veränderung
der potenziellen
Energie
W F = 1 2 F E s = Δ E p o t W F = 1 2 D s 2 = Δ E p o t

Dabei wird vorausgesetzt, dass keine Energie in andere Energieformen umgewandelt wird. Bei allen Geräten, Fahrzeugen, Maschinen und Anlagen tritt jedoch Reibung auf. Reibungskräfte wirken stets so, dass sie die Bewegung hemmen. Dabei wird Reibungsarbeit verrichtet. Es entsteht thermische Energie, die in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Berücksichtigt man das, so kann man allgemeiner formulieren:

Die an einem System oder von einem System verrichtete Arbeit ist gleich der dem Körper oder der Umgebung zugeführten Energie.

Wie groß der Anteil der Energie ist, der an die Umgebung in Form von Wärme abgegeben wird, hängt vom jeweiligen Sachverhalt ab.

Weitere Gemeinsamkeiten und Unterschiede
Arbeit und Energie haben die gleichen Einheiten. Sie werden in Newtonmeter (Kurzzeichen: Nm) oder in Joule (Kurzzeichen: J) gemessen. Es gilt:

1 J = 1 Nm

Manchmal nutzt man auch zur Unterscheidung der beiden Größen die Einheit Joule nur für die Energie und die Einheit Nm nur für die Arbeit. Der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Größen besteht in ihrem Charakter. Die Arbeit kennzeichnet immer einen Vorgang oder Prozess. Sie ist eine Prozessgröße.
Die Energie dagegen charakterisiert den Zustand eines Systems. Sie ist eine Zustandsgröße und darüber hinaus eine Erhaltungsgröße, da sich ihr Betrag in einem abgeschlossenen System nicht ändert.

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