Energie und ihre Eigenschaften

Energie und ihre wichtigsten Eigenschaften

Die Energie von Nahrungsmitteln ist für uns lebensnotwendig. Sonnenenergie ist die Voraussetzung für die Entwicklung von Pflanzen und Tieren. Heiz- und Brennstoffe liefern uns Wärme und Licht. Die für viele Geräte und Anlagen notwendige elektrische Energie wird durch Energieumwandlungen aus verschiedenen Primärenergieträgern gewonnen.
Mit Blick auf die Nutzung von Energie spielen ihre verschiedenen Eigenschaften eine entscheidende Rolle.

Wir betrachten nachfolgend die Energiespeicherung, Energieumwandlung, Energieübertragung und Energieentwertung etwas genauer.

Energiespeicherung

Energiespeicherung kann in unterschiedlichen Formen erfolgen. Nachfolgend sind einige Beispiele für Energiespeicher zusammengestellt.
In Nahrungsmitteln (Bild 2) ist chemische Energie gespeichert. Bei vielen Nahrungsmitteln wird der Energiegehalt aus den Anteilen an Eiweiß, Fett und Kohlehydraten ermittelt. 1 g Eiweiß hat einen Energiegehalt von 17 kJ, 1 g Kohlehydrate von ebenfalls 17 kJ und 1 g Fett von 39 kJ. Viele Lebensmittel enthalten entsprechende Aufdrucke zum Energiegehalt auf dem Etikett.
In Treibstoffen und Brennstoffen (z. B. Benzin, Dieselkraftstoff, Holz, Kohle, Erdöl, Erdgas, Torf) ist chemische Energie gespeichert, die beim Verbrennen freigesetzt wird.
Gehobene Körper können ebenfalls Energiespeicher sein. Das ist z. B. bei angestautem Wasser oder beim Uhrengewicht einer Pendeluhr der Fall.
Das gilt auch für bewegte Körper. Beispiele dafür sind strömendes Wasser oder ein sich drehendes Schwungrad.
Im Falle von gespannten Federn (z. B. bei Uhren mit Federaufzug oder bei einem Metronom) ist die Energie in verformten Körpern gespeichert. Ein weiteres Beispiel dafür ist ein gespannter Bogen.
Elektrische Energie kann man in Akkumulatoren oder Batterien speichern, wenn auch nur in relativ geringem Umfange.
Innere Energie kann in Wärmflaschen oder Warmkompressen gespeichert werden. Für das Klima bedeutsam sind große Wassermengen als Speicher für innere Energie. In Uranerz ist Kernenergie gespeichert. Insgesamt gilt:

Energie kann in Energieträgern wie Brennstoffen, Treibstoffen, Nahrungsmitteln, gehobenen und bewegten Körpern, verformten Körpern oder Batterien und Akkumulatoren gespeichert werden.

Die wichtigsten Speicherformen sind die chemische Energie, die mechanische Energie, die elektrische Energie und die innere Energie.

Energieumwandlung

Energie, die ein Körper besitzt, kann in andere Energieformen umgewandelt werden. Solche Energieumwandlungen treten in sehr vielfältiger Weise auf. So wird z. B. beim Verbrennen von Holz die im Holz gespeicherte chemische Energie in thermische Energie und Lichtenergie umgewandelt
(Bild 1). Bei einem Wasserkraftwerk wird die potenzielle Energie des angestauten Wassers in elektrische Energie umgewandelt. Bei einem Elektroherd wird elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt. Bei Pflanzen wird die Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt. Allgemein gilt:

Bei physikalischen, technischen, chemischen oder biologischen Vorgängen kann Energie von einer Energieform in andere Energieformen umgewandelt werden.

Energieumwandlungen sind häufig auch mit Energieübertragung und Energieentwertung verbunden.

Besondere Bedeutung hat für uns elektrische Energie. Diese Energieform

Bild 4 zeigt an Beispielen, aus welchen Energieformen elektrische Energie gewonnen und in welche Formen sie umgewandelt werden kann. Die im Bild genannten technischen Geräte, in denen Energieumwandlungen vor sich gehen, kann man auch als Energiewandler bezeichnen. Fast alle technischen Geräte und Anordnungen, die wir nutzen, sind solche Energiewandler.

Energieübertragung

Bei vielen Vorgängen in Natur, Technik und Alltag wird Energie von einem Körper auf andere Körper übertragen. Nachfolgend sind einige Beispiele für Energieübertragungen genannt. So wird bei einem Gasherd die thermische Energie von der Gasflamme auf die Pfanne und von dort auf die Speise übertragen. Die Energie der Sonne wird in Form von Strahlung in einem Sonnenkollektor auf das Wasser übertragen. Die chemische Energie der Nahrung wird auf den Körper des betreffenden Lebewesens übertragen. Bei einem Wasserkraftwerk wird die kinetische Energie des Wassers auf eine Turbine übertragen, indem sie das Laufrad in Rotation versetzt. Diese Rotationsenergie des Laufrades wird über eine Welle auf den Generator übertragen und im Generator wird die mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Allgemein gilt:

Bei physikalischen, technischen, chemischen oder biologischen Vorgängen kann Energie nicht nur von einer Energieform in andere Energieformen umgewandelt, sondern auch auf andere Körper übertragen werden.

Energieübertragung ist häufig mit Energieentwertung verbunden. Statt von Energieübertragung spricht man manchmal auch von Energietransport.

Die Formen der Energieübertragung von einem Körper auf andere Körper können sehr unterschiedlich sein. Zur Übertragung elektrischer Energie nutzt man Hochspannungsleitungen, durch die die Energie in Form des elektrischen Stromes transportiert wird. Sonnenenergie wird in Form von Strahlung von der Sonne zur Erde transportiert. Thermische Energie wird bei einer Warmwasserheizung in Form von Wärme übertragen (Bild 2).
Wird ein Auto beschleunigt, so wird Beschleunigungsarbeit verrichtet. Die kinetische Energie des Autos vergrößert sich. Beim Bremsen wird Reibungsarbeit verrichtet. Die kinetische Energie des Autos verringert sich. Allgemein gilt für die Energieübertragung:

Energie kann durch Arbeit, Wärme, Strahlung (Licht) oder elektrischen Strom von einem Körper auf andere Körper übertragen werden.

Darüber hinaus kann die Energieübertragung auch durch mechanische Kopplung (Wellen, Zahnräder, Ketten) oder induktive Kopplung (Transformator, Antenne) erfolgen.

Energieentwertung

Im Haushalt wird Elektroenergie verbraucht, die auch bezahlt werden muss. Bei der Übertragung von Fernwärme treten Energieverluste auf. Beim Betrieb einer Glühlampe wird elektrische Energie in Licht und Wärme umgewandelt. Etwa 95 % der aufgewandten elektrischen Energie werden in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Diese Energie ist dann nicht mehr nutzbar (Bild 7) Auch die Wärme, die vom Motor eines PKW an die Umgebung abgegeben wird, ist nicht mehr nutzbar. In der Technik spricht man von Energieverbrauch oder Energieverlust. Damit wird lediglich zum Ausdruck gebracht, dass sich durch Maschinen, Geräte und Anlagen - also durch Energiewandler - der Anteil derjenigen Energie verringert, die man weiter nutzen kann (Bild 1). Zum Schluss bleibt thermische Energie von Körpern bei Umgebungstemperatur übrig. Die ursprünglich vorhandene hochwertige Energie (z. B. elektrische Energie oder chemische Energie von Brennstoffen und Nahrungsmitteln) wird entwertet. Diese Erkenntnisse sind im Gesetz über die Energieentwertung zusammengefasst. Es lautet:

Bei allen Vorgängen in Natur und Technik entsteht innere (thermische) Energie. Diese kann der Umgebung von allein weder entzogen noch nutzbar gemacht werden. Die ursprünglich vorhandene Energie wird beim Betrieb von Maschinen, Geräten und Anlagen entwertet.

Das Gesetz lässt sich auch folgendermaßen formulieren:

Wärme geht niemals von selbst von einem Körper niedrigerer Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur über.

Eine andere Formulierung lautet:

Alle Vorgänge, bei denen thermische Energie auftritt, laufen von allein nur in einer Richtung ab.

Beispiel: Ein heißer Körper, z. B. eine Tasse mit heißem Tee, gibt solange thermische Energie an die Umgebung ab, bis er die Umgebungstemperatur erreicht hat. Der umgekehrte Vorgang geht niemals von allein vor sich.
Das Gesetz über die Energieentwertung wird auch als 2. Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet. Es wurde von dem deutschen Physiker ROBERT CLAUSIUS (1822-1888) entdeckt.

Energieentwertung und Energieerhaltung

Trotz der Entwertung der Energie, d. h. ihrer Umwandlung in nicht mehr nutzbare Formen, bleibt die Gesamtenergie erhalten. Energieerhaltung und Energieentwertung treten bei allen Vorgängen in Natur und Technik gleichzeitig auf. Hochwertige Energie wird in minderwertigere Energie umgewandelt. Insofern wird hochwertige Energie verbraucht. Die in der Technik üblichen Begriffe Energieverbrauch und Energieverlust beinhalten diese Zusammenhänge und stehen damit nicht im Widerspruch zum Energieerhaltungssatz.