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Energie und Energieformen

Energieformen sind überall. Energie ist eine fundamentale physikalische Größe, die verschiedene Formen annimmt, wie kinetische, potenzielle und thermische Energie. Diese Formen können ineinander umgewandelt werden. Weitere Energieformen umfassen mechanische, elektrische, Schall- und chemische Energie. Wie du Energieformen umwandeln kannst, lernst du im folgenden Artikel!

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Energie und Energieformen
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Grundlagen zum Thema Energie und Energieformen

Energie und Energieformen – Definition

Mit Sicherheit hast du schon mal von Energie und Energieformen gehört. Doch weißt du auch, wie genau diese Begriffe in der Physik definiert sind und wie sie sich voneinander unterscheiden?

In der Physik bezeichnet der Begriff Energie eine fundamentale physikalische Größe. Energie muss einem Körper zugeführt werden, um ihn zum Beispiel zu erhitzen oder um Arbeit zu leisten.

In jedem Prozess, in dem sich etwas verändert, muss Energie übertragen oder umgewandelt werden. Ohne die Zufuhr oder Umwandlung von Energie können keine Änderungen stattfinden. Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden.

Nachdem wir den Begriff Energie geklärt haben, sehen wir uns nun ein paar Beispiele verschiedener Energieformen an.

Energieformen – Beispiele

Es gibt verschiedene Energieformen in der Physik. Die Einheit aller Energieformen ist nach dem internationalen Einheitensystem das Joule $\text{J}$ und ihr Formelzeichen ein $E$:

$[E] = 1~\text{J}$

Die wichtigsten Energieformen sind:

  • potentielle Energie (Lageenergie)
  • Spannenergie (Verformungsenergie)
  • kinetische Energie (Bewegungsenergie)
  • thermische Energie (Wärmenergie)
  • elektrische Energie
  • Strahlungsenergie (Lichtenergie)
  • chemische Energie
  • Kernenergie

Auf diese verschiedenen Formen wollen wir nun noch im Einzelnen genauer eingehen.

Potentielle Energie

Die potentielle Energie $E_\text{pot}$ bezeichnet die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld hat. Dabei kann es sich zum Beispiel um ein elektrisches Feld oder um das Gravitationsfeld (also das Feld der Schwerkraft) handeln.

Junge lässt Stein fallen

Wenn jemand einen Stein aufhebt, dann muss er dabei eine Kraft aufwenden, nämlich die Gewichtskraft $F_\text{G}$ des Steins, und das entlang eines Weges, nämlich der Strecke, um die der Stein angehoben wird. Wird der Stein anschließend losgelassen, fällt er wieder nach unten – und wird dabei schneller! Beim Hochheben haben wir Arbeit, nämlich Hubarbeit $W_\text{Hub}$ an dem Stein verrichtet. Die Hubarbeit wird in dem Stein als potentielle Energie (oder auch Lageenergie) $E_\text{pot}$ gespeichert – und wird wieder frei, wenn der Stein nach unten fällt. Diesen Vorgang machen wir uns zum Beispiel bei Wasserkraftwerken zu Nutze. Die frei werdende potentielle Energie wird dort in elektrische Energie umgewandelt, indem eine Turbine angetrieben wird.

Ein Körper der Masse $m$ hat in der Höhe $h$ über dem Boden die potentielle Energie:

$E_{\text{pot}}=m \cdot g \cdot h$

Dabei ist $g$ die Fallbeschleunigung bzw. der Ortsfaktor, dessen Wert auf der Erde im Durchschnitt $g=9,81~\frac{\text{m}}{\text{s}^{2}}$ beträgt.

Spannenergie

Eine Variante der potentiellen Energie ist die Spannenergie (auch Verformungsenergie genannt), die z. B. in einer gedehnten oder gestauchten Spiralfeder vorliegt (wie sie zum Beispiel in Spielzeugen benutzt wird) oder auch beim Bogen- oder Armbrustschießen.

Ist $D$ die Federkonstante des dehnbaren Systems und $\Delta s$ die Strecke, um die es gedehnt wurde, so ist die dazu gehörige Spannenergie:

$E_{\text{spann}}=\frac{1}{2} \cdot D \cdot (\Delta s)^2$

Kinetische Energie

Kinetische Energie bezeichnet Bewegungsenergie, also beispielsweise die Energie, die ein fahrendes Auto hat.

Ein Körper der Masse $m$, der sich mit der Geschwindigkeit $v$ bewegt, besitzt die folgende kinetische Energie:

$E_{\text{kin}}=\frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$

Thermische Energie

Eine weitere, wichtige Energieform ist die thermische Energie, die auch Wärmeenergie genannt wird. Diese Energieform ist die Energie, die Körper alleine aufgrund ihrer Temperatur haben. Je höher die Temperatur, desto höher die thermische Energie. Würde ein Objekt eine Temperatur von $\pu{0 K}$ erreichen, hätte es überhaupt keine thermische Energie.
Unser Körper muss dauerhaft auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden, damit er funktioniert. Deswegen wird auch ein Großteil der in unserer Nahrung gespeicherten Energie in thermische Energie umgewandelt.
Auch die Übertragung von Energie lässt sich mit thermischer Energie leicht veranschaulichen: Wenn du im Winter die Heizung aufdrehst, wird zum Beispiel die thermische Energie der Heizung an die Raumluft übertragen.

Elektrische Energie

Der elektrische Strom transportiert mithilfe der fließenden elektrischen Ladungen Energie, die an Energiewandler, wie Glühlampen u. ä. abgegeben und dort in andere Energieformen umgewandelt wird.

In einem geschlossenen Stromkreis lässt sich die in einem bestimmten Zeitraum $\Delta t$ transportierte Energie mithilfe der folgenden Formel aus der Spannung $U$ und der Stromstärke $I$ berechnen:

$E_{\text{el}}=U \cdot I \cdot \Delta t$

Elektrische Energie ist sicherlich diejenige Energie, die neben Bewegungsenergie in unserem Alltag den wichtigsten Platz einnimmt und die aus unserem Alltag auch nicht mehr wegzudenken ist. Das sollte uns dennoch nicht davon abhalten, mit unseren begrenzten Ressourcen bewusst umzugehen und auf unseren Energieumsatz zu achten. Denn elektrische Energie muss erst mühsam aus anderen Energieformen umgewandelt werden, bevor sie genutzt (und weiter umgewandelt) werden kann.

Lichtenergie

Auch elektromagnetische Strahlung wie Licht transportiert Energie. In Solaranlagen kann diese dann beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt werden.

Die Energie, die seit 4,5 Milliarden Jahren von der Sonne auf die Erde einströmt, ist die maßgebliche Energiequelle für viele Vorgänge auf der Erde, wie das Wetter und die Fotosynthese der Pflanzen.

Chemische Energie

Unter chemischer Energie wird diejenige Energie verstanden, die bei chemischen Reaktionen freigesetzt wird. Chemische Energieträger in unserem Alltag sind zum Beispiel Nahrungsmittel und Brennstoffe, wie Heizöl, Benzin, Kohle oder Erdgas.

Chemische Energieträger haben den Vorteil, dass in ihnen die Energie lange Zeit gespeichert ist und sie oft über eine hohe Energiedichte verfügen. Das bedeutet, dass unter geeigneten Bedingungen (zum Beispiel beim Verbrennen) relativ viel Energie von einer relativ kleinen Stoffmenge freigesetzt werden kann.

Kernenergie

Bei einer Kernspaltung oder auch einer Kernfusion kann die ungeheure Energiemenge, die in der Bindung der Nukleonen im Atomkern liegt, freigesetzt werden.

Technisch realisiert werden kann dies in Kernkraftwerken und deutlich unkontrollierter und zerstörerischer in Atom- und Wasserstoffbomben.

Aufgrund der Gefahr der Freisetzung von großen Mengen von Radioaktivität wird jedoch die zivile, also nicht-militärische Nutzung der Kernenergie zunehmend skeptisch betrachtet. In Deutschland wurde mittlerweile der vollständige Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen und umgesetzt.

Alternative Energieformen – erneuerbare Energien

Erneuerbare Energien sind angesichts der globalen Klimakrise zu Recht in aller Munde. Sie sind allerdings keine eigene Energieform im Sinne der anderen hier genannten. Der Ausdruck bezieht sich auf die “Erzeugung” der jeweiligen Energieform, also den Umwandlungsprozess, durch den sie freigesetzt wird. Im Gegensatz zur Energiefreisetzung durch die Verbrennung fossiler Energieträger (wie Kohle oder Erdgas) verschwindet der Energieträger bei erneuerbaren Energien danach nicht für immer. So können beispielsweise Wind, Sonne und Wasser den Prozess der Energiefreisetzung immer wieder aufs Neue vollziehen. Die dabei auftretenden Energieformen sind aber die bereits oben genannten – im Wesentlichen Bewegungsenergie und Lichtenergie, die zu elektrischer Energie umgewandelt werden.

Energieformen und Energieumwandlung

Energieformen können ineinander umgewandelt oder zwischen Körpern übertragen werden.

Es gilt der Energieerhaltungssatz:

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie wird immer in andere Energieformen umgewandelt (Energieerhaltungssatz).

Wir können uns den Prozess der Energieumwandlung leicht mit einem Beispiel verdeutlichen. Wir stellen uns vor, dass wir einen Stein in unserer Hand halten. Der Stein hat in diesem Moment keine Bewegungsenergie, also gilt:

$E_{\text{kin}} = 0$

Da der Stein allerdings in der Hand über dem Boden „schwebt“, besitzt er potenzielle Energie (Lageenergie). Diese potentielle Energie kommt daher, dass der Stein durch unser Halten eine gewisse Höhe im Schwerefeld der Erde erreicht hat. Die potenzielle Energie des Steins hängt damit von der Höhe $h$, in der er sich befindet, ab und von seiner Masse $m$, sowie von der Fallbeschleunigung (der Erdbeschleunigung) $g$:

$E_{\text{pot}} = m \cdot g \cdot h$

Lassen wir den Stein nun los, fällt er auf den Boden. Er beschleunigt aufgrund der Erdanziehung und so wird die potenzielle Energie in kinetische Energie (Bewegungsenergie) umgewandelt:

$E_\text{pot} \rightarrow E_\text{kin}$

Wir können sogar berechnen, welche Geschwindigkeit der Stein dabei erreichen wird. Denn wenn der Stein auf dem Boden auftrifft, wird seine potentielle Energie gleich Null sein, da auch die Höhe $h$ vom Boden aus gesehen gleich Null ist. Das bedeutet, dass die gesamte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wurde, in dem Moment, in dem der Stein auf den Boden schlägt. Wir können also ansetzen:

$E_{\text{pot,max}} = E_{\text{kin,max}}$

Mit $E_{\text{pot,max}}$ ist die maximale potentielle Energie gemeint, die der Stein in der Höhe $h$ hatte (als wir ihn noch festgehalten haben). Mit $E_{\text{kin,max}}$ ist die maximale kinetische Energie gemeint, die der Stein hat, wenn er auf dem Boden aufschlägt (und die gesamte potentielle Energie umgewandelt wurde). Es gilt also:

$E_{\text{pot,max}} = m \cdot g \cdot h_{\text{max}} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot {v_{\text{max}}}^2 = E_{\text{kin,max}}$

Diese Gleichung können wir bei gegebener Höhe nach der Geschwindigkeit $v_{\text{max}}$ auflösen.

Diese Art von Ansatz stellt einen grundlegenden Rechenweg dar, mit dem vielen verschiedene Aufgaben zu Energieumwandlungen zwischen verschiedenen Energieformen gelöst werden können.

Übung zur Energieumwandlung

Ein Stein der Masse $m=5~\text{kg}$ verfügt über eine potentielle Energie von $E_\text{pot}=490{,}5~\text{J}$.

In welcher Höhe über dem Boden befindet er sich?
Wie groß ist die kinetische Energie des Steins beim Aufprall, nachdem er fallen gelassen wurde, wenn die Luftreibung vernachlässigt wird?
Wie groß ist die Geschwindigkeit $v$ des Steins beim Aufprall?

Umwandlung zwischen Energieformen

Energieumwandlungen finden ständig und überall statt. Zur Umwandlung verschiedener Energieformen findest du in folgender Tabelle noch einige Beispiele:

Umwandlung Beispiel
mechanische Energie $\rightarrow$ elektrische Energie Windkraftanlage
mechanische Energie $\rightarrow$ thermische Energie Fahrradbremsen
elektrische Energie $\rightarrow$ thermische Energie Heizdraht
elektrische Energie $\rightarrow$ mechanische Energie Elektroauto
chemische Energie $\rightarrow$ thermische Energie Verbrennungsprozesse

Energie und Energieformen — Zusammenfassung

  • Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszusenden.
  • Bei jedem Vorgang, bei dem eine Änderung des Zustands eines oder mehrerer Körper stattfindet, ist der Austausch oder die Umwandlung von Energie beteiligt.
  • Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden; es erfolgt stets eine Umwandlung in andere Energieformen. Das nennt man Energieerhaltung.
Energieform Beschreibung
kinetische Energie Energie eines Körpers aufgrund seiner Bewegung
potenzielle Energie Energie, die ein Körper aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld hat
mechanische Energie Summe aus Bewegungsenergie und potenzieller Energie (Beispielsweise zählen auch Spannenergie und Lageenergie zu den mechanischen Energieformen)
thermische Energie innere Energie eines Stoffes, zum Beispiel kinetische Energie der Teilchen im idealen Gas
elektrische Energie potenzielle Energie geladener Teilchen in elektrischen Feldern
Schallenergie kinetische und potenzielle Energie in einem Stoff bei der Ausbreitung von Druckschwankungen
chemische Energie potenzielle Energie chemischer Verbindungen

Häufig gestellte Fragen zum Thema Energie und Energieformen

Was sind Energieformen?
Welche Energieformen gibt es?
Welche mechanischen Energieformen gibt es?
Was ist der Unterschied zwischen primären und sekundären Energieformen?
Wie kann Solarenergie genutzt werden?
Welche Rolle spielt die Kernenergie in der Energieversorgung?
Wie wird Energie in elektrische Energie umgewandelt?
Was ist kinetische Energie?
Was ist potenzielle Energie?
Was ist thermische Energie?
Was ist elektrische Energie?
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Transkript Energie und Energieformen

In der Natur herrschen gewaltige Kräfte und Energien! Manche können wir nutzen, mit anderen haben wir zu kämpfen. Und das hängt durchaus miteinander zusammen, denn mit unserem Hunger nach immer mehr Energie beeinflussen wir unseren Planeten erheblich. Das weiß auch "Gerda", die sich viel mit dem Thema Energie beschäftigt. Aber fangen wir ganz von vorne an: Was ist eigentlich "Energie"? Und in welchen "verschiedenen Formen" tritt sie auf? Energie ist überall! Sie sorgt dafür, dass Dinge und Lebewesen sich bewegen, erwärmen, aufladen, oder auch nur etwas wahrnehmen können. Kurz: Immer wenn irgendetwas passiert, ist Energie beteiligt. In der Physik spricht man ganz allgemein von der ZUSTANDSÄNDERUNG eines Körpers. Dafür kann Energie BENÖTIGT werden, wie zum Beispiel zum Heben eines Gewichts, oder FREIGESETZT, wie beispielsweise durch einen Blitz. Die Energie selbst ist dabei gar nicht sichtbar. Wir können sie nur anhand ihrer AUSWIRKUNGEN sehen oder spüren. Und diese können sehr verschieden sein. Deshalb unterscheiden wir in der Physik eine ganze Reihe von Energie-FORMEN. Je nach Art der Zustandsänderung eines Körpers sprechen wir von einer bestimmten "Energieform", die diese bedingt. Ein großer Bereich ist die MECHANISCHE Energie. Sie umfasst gleich mehrere Energieformen, die du alle bestimmt schonmal selbst erfahren hast: Da ist die "Bewegungsenergie", die auch "kinetische Energie" genannt wird. Sie sorgt dafür, dass ein Körper sich bewegt. Dann die "Lageenergie", auch "potentielle Energie" genannt. Ja, auch einfach nur rumliegen geht nicht ohne Energie! Denn wenn sich ein Körper in einer gewissen Höhe befindet, heißt das, er wurde entgegen der Schwerkraft der Erde dorthin befördert. Diese Energie steckt nun "in ihm", und wird wieder frei, wenn der Körper fällt. Außerdem gibt es noch "Verformungsenergie". Diese sorgt für die Verformung von Körpern – gewollt oder ungewollt. Neben den mechanischen Energieformen gibt es noch weitere, die manchmal ein bisschen versteckt wirken. Dazu zählt die "Wärmeenergie", auch "thermische Energie" genannt. Die ist nicht nur vorhanden, wenn etwas sehr heiß wird, sondern bei JEDER Temperatur – beispielsweise auch in unserem Körper. Außerdem die "chemische Energie", die in unserer Nahrung steckt, sowie in Brennstoffen wie Holz oder Öl. Diese Energie kann gut GESPEICHERT werden, das heißt, sie steckt "im jeweiligen Körper" und kann durch bestimmte Prozesse, zum Beispiel durch Verbrennung, freigesetzt werden. Das trifft auch auf die "Kernenergie" zu, die in allen Atomkernen steckt, und unter bestimmten Bedingungen erschreckend gewaltig sein kann! Das führt uns zu Energieformen, die man im Alltag wohl am ehesten mit "REINER Energie" in Verbindung bringt. Da wäre zum einen die "Strahlungsenergie", die sich in Form von Licht-, Röntgen- oder auch radioaktiver Strahlung äußern kann. Zum anderen die "elektrische Energie", die hinter dem elektrischen Strom und der Spannung steckt, und die für uns Menschen eine sehr große Rolle spielt, weil wir sie technisch erzeugen und vielseitig nutzen können. Wobei "Energie erzeugen" kein physikalisch korrekter Ausdruck ist. Energie kann nämlich weder erzeugt noch verbraucht werden! Im Universum ist eine bestimmte Menge Energie vorhanden, die sich nicht verändern lässt. Sie zeigt sich nur auf sehr unterschiedliche Art und Weise – hier in dieser, dort in jener Form. Energie, die von einer Energie-QUELLE, zum Beispiel der Sonne, oder auch einem Kraftwerk, FREIGESETZT wird, wird über einen Energie-TRÄGER, zum Beispiel einen Sonnenstrahl, oder auch den elektrischen Strom, auf einen anderen Körper ÜBERTRAGEN. Dort kann sie GESPEICHERT, oder in eine andere Energieform UMGEWANDELT werden. Jede Zustandsänderung, jede Bewegung, alles was im Universum passiert, ist mit einer solchen "Energieumwandlung" verbunden. Die eine, reine Energie, die nach gängiger Vorstellung mit dem Urknall ins Universum kam, wird also vielfach und fortlaufend umgewandelt – auch du bist ein Teil davon! Deshalb ist es wichtig, die verschiedenen Energieformen zu verstehen – und was sie bewirken. Fassen wir zusammen! Energie sorgt dafür, dass Körper eine "Zustandsänderung" erfahren können, zum Beispiel eine "Bewegung, Verformung oder Erwärmung". Wir unterscheiden Energieformen anhand der Zustandsänderungen, die sie bewirken. Die wichtigsten Formen siehst du HIER noch einmal aufgelistet. Energie wird dabei weder erzeugt noch verbraucht. "Energiequellen" setzen Energie lediglich frei, die dann über einen "Energieträger" zwischen verschiedenen Körpern übertragen werden kann, und schließlich "gespeichert" oder "umgewandelt" wird. Mit der "Energieumwandlung" hat Gerda noch so ihre Probleme. Ihrer Meinung nach läuft die nicht immer in die richtige Richtung. Manche Dinge sollte man vielleicht lieber in dem Zustand lassen, in dem man sie vorfindet.

9 Kommentare
9 Kommentare
  1. gut

    Von Ben-Frederik, vor 7 Monaten
  2. Ich finde es toll

    Von Jakob Frey, vor 7 Monaten
  3. Mehr Übungen

    Von Gretschen1681, vor 9 Monaten
  4. mehr Übungen wehren besser

    Von Moritz, vor 10 Monaten
  5. Gut

    Von Nils, vor 10 Monaten
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Energie und Energieformen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energie und Energieformen kannst du es wiederholen und üben.
  • Vervollständige den Lückentext zum Thema Energie.

    Tipps

    Energie kann freigesetzt werden über Energiequellen.

    Energie kann übertragen werden über Energieträger.

    Energie kann gespeichert oder umgewandelt werden.

    Lösung

    Energie kann benötigt oder freigesetzt werden und ist in ihrer reinen Form unsichtbar. Sie wird jedoch durch ihre Auswirkungen erkennbar.

    Es gibt mehrere Energieformen, darunter mechanische Energie, Wärmeenergie, chemische Energie, Kernenergie, Strahlungsenergie und elektrische Energie.
    Energie kann über Energiequellen wie die Sonne oder Kraftwerke freigesetzt werden und über Energieträger wie Sonnenstrahlen oder elektrischen Strom auf andere Körper übertragen werden.

    Energie kann gespeichert oder in andere Formen umgewandelt werden, aber sie wird weder erzeugt noch verbraucht.

  • Beschreibe die Begriffe zur Energie.

    Tipps

    Ein Beispiel für Energieumwandlung ist die Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie, wenn ein fallendes Objekt beschleunigt wird.

    Beispiele für Energiequellen sind die Sonne, fossile Brennstoffe wie Öl und Gas, erneuerbare Energieressourcen wie Wind und Wasser sowie Kernreaktionen in einem Kernkraftwerk.

    Ein klassisches Beispiel für einen Energieträger ist der elektrische Strom, der Energie von Kraftwerken zu Haushalten und Unternehmen transportiert.

    Beispiele für Energieformen sind mechanische Energie, Wärmeenergie, chemische Energie, elektrische Energie und Strahlungsenergie.

    Lösung
    • Energieumwandlung beschreibt die Veränderung einer Energieform in eine andere Energieform.
    $\Rightarrow$ Energieumwandlung bezieht sich auf den Prozess, bei dem Energie von einer Form in eine andere umgewandelt wird. Das bedeutet, dass die ursprüngliche Energieform ihre charakteristischen Eigenschaften ändert und in eine neue Form übergeht. Ein Beispiel für Energieumwandlung ist die Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie, wenn ein fallendes Objekt beschleunigt wird.


    • Energiequelle ist ein Element oder ein Körper, bei dem Energie freigesetzt wird.
    $\Rightarrow$ Eine Energiequelle ist der Ursprung oder der Ausgangspunkt, von dem Energie freigesetzt wird. Es handelt sich um ein Element, das die Energie bereitstellt, die später genutzt oder umgewandelt werden kann. Beispiele für Energiequellen sind die Sonne, fossile Brennstoffe wie Öl und Gas, erneuerbare Energieressourcen wie Wind und Wasser sowie Kernreaktionen in einem Kernkraftwerk.


    • Energieträger ist ein Medium, das Energie von einer Quelle zu einem anderen Ort überträgt.
    $\Rightarrow$ Ein Energieträger ist ein Mittel, das Energie von der Quelle, in der sie freigesetzt wird, zu einem anderen Ort transportiert. Energieträger fungieren als Übermittler von Energie und ermöglichen die Übertragung von Energie über Entfernungen hinweg. Ein klassisches Beispiel für einen Energieträger ist der elektrische Strom, der Energie von Kraftwerken zu Haushalten und Unternehmen transportiert.


    • Energieform beschreibt die spezifische Art von Energie, die in einem System vorhanden ist.
    $\Rightarrow$ Eine Energieform bezieht sich auf die charakteristische Art der Energie, die in einem bestimmten System vorhanden ist. Verschiedene Energieformen haben unterschiedliche Eigenschaften und können unterschiedliche Arten von Zustandsänderungen bewirken. Beispiele für Energieformen sind mechanische Energie, Wärmeenergie, chemische Energie, elektrische Energie und Strahlungsenergie.
  • Entscheide, um welche Energieform es sich handelt.

    Tipps

    Verformungsenergie ist die Energie, die in einem Körper gespeichert ist, der verformt wurde.

    Wärmeenergie, auch thermische Energie genannt, ist die Energie, die aufgrund der Temperatur eines Körpers vorhanden ist.

    Kernenergie ist die Energie, die in den Kernen von Atomen vorhanden ist.

    Elektrische Energie ist die Energie, die elektrisch geladene Teilchen im Stromkreis transportieren.

    Strahlungsenergie ist die Energie, die in Form von elektromagnetischer Strahlung übertragen wird.

    Lösung
    • ein Auto, das auf der Autobahn fährt: Bewegungsenergie
    $\Rightarrow$ Bewegungsenergie ist die Energie, die aufgrund der Bewegung eines Körpers vorhanden ist. In diesem Fall besitzt das Auto kinetische Energie wegen seiner Geschwindigkeit und Bewegung auf der Autobahn.


    • ein Buch auf einem Regal: Lageenergie (potentielle Energie)
    $\Rightarrow$ Lageenergie, auch potentielle Energie genannt, bezieht sich auf die Energie, die aufgrund der Position eines Körpers in einem Gravitationsfeld vorhanden ist. Hier hat das Buch auf dem Regal potentielle Energie, da es auf einer erhöhten Position liegt und die Schwerkraft Arbeit verrichten kann, wenn es fällt.


    • eine gespannte Sehne vor dem Abschießen eines Pfeils: Verformungsenergie
    $\Rightarrow$ Verformungsenergie ist die Energie, die in einem Körper gespeichert ist, der verformt oder verändert wurde. Bei einer gespannten Sehne wird Energie aufgewendet, um die Sehne zu spannen. Diese Energie wird als Verformungsenergie gespeichert und kann freigesetzt werden, wenn der Bogen den Pfeil abschießt.


    • ein Lagerfeuer: Wärmeenergie (thermische Energie)
    $\Rightarrow$ Wärmeenergie, auch thermische Energie genannt, ist die Energie, die aufgrund der Temperatur eines Körpers vorhanden ist. Ein Lagerfeuer erzeugt Wärmeenergie durch Verbrennung, was zu einer Temperaturerhöhung führt und Wärme abstrahlt.


    • die Energie, die in Nahrungsmitteln gespeichert ist: chemische Energie
    $\Rightarrow$ Chemische Energie ist die Energie, die in den chemischen Bindungen von Molekülen gespeichert ist. Nahrungsmittel enthalten Moleküle, die bei Verdauung und Stoffwechselprozessen aufgespalten werden, wobei chemische Energie freigesetzt wird.


    • die Energie, die in einem Atomreaktor zur Stromerzeugung genutzt wird: Kernenergie
    $\Rightarrow$ Kernenergie ist die Energie, die in den Kernen von Atomen vorhanden ist. In Atomreaktoren wird Kernenergie durch Kernspaltung freigesetzt und zur Erzeugung von Wärme verwendet, die wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird.


    • Sonnenlicht, das auf die Erde trifft: Strahlungsenergie
    $\Rightarrow$ Strahlungsenergie ist die Energie, die in Form von elektromagnetischer Strahlung übertragen wird. Sonnenlicht enthält verschiedene Arten elektromagnetischer Strahlung und überträgt Strahlungsenergie von der Sonne zur Erde.


    • ein Smartphone, das aufgeladen wird: elektrische Energie
    $\Rightarrow$ Elektrische Energie ist die Energie, die elektrisch geladene Teilchen im Stromkreis transportieren. Wenn ein Smartphone aufgeladen wird, dann wird elektrische Energie von einer Stromquelle zum Smartphone übertragen, um es mit Energie zu versorgen.
  • Charakterisiere die Energieumwandlungen mit den richtigen Energieformen.

    Tipps

    Eine elektrische Zahnbürste nutzt die elektrische Energie aus einer Batterie oder einem Akku, um den Motor anzutreiben, der die Bewegung der Bürsten erzeugt.

    Die Strahlungsenergie des Sonnenlichts regt die Elektronen in der Solarzelle an und erzeugt eine elektrische Spannung und Strom.

    Durch den Dynamo kannst du beim Fahrradfahren Licht durch eine Glühlampe erzeugen.

    Durch die Verbrennung beim Holzkohlegrill werden chemische Bindungen in den Brennstoffmolekülen aufgebrochen und freigesetzte Energie wird in Form von Wärme abgegeben.

    Lösung
    • elektrische Zahnbürste: elektrische Energie $\rightarrow$ mechanische Energie
    $\Rightarrow$ In diesem Fall wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Eine elektrische Zahnbürste nutzt die elektrische Energie aus einer Batterie oder einem Akku, um den Motor anzutreiben, der die Bewegung der Bürsten erzeugt. Die elektrische Energie wird hier in Form von mechanischer Energie genutzt, um die Bewegung der Zahnbürste zu ermöglichen.


    • Solarzelle: Strahlungsenergie $\rightarrow$ elektrische Energie
    $\Rightarrow$ Eine Solarzelle wandelt Strahlungsenergie, die von der Sonne in Form von Licht auf die Zelle trifft, in elektrische Energie um. Das passiert durch den sogenannten inneren photoelektrischen Effekt: Die Strahlungsenergie des Sonnenlichts regt die Elektronen in der Solarzelle an und erzeugt eine elektrische Spannung und Strom.


    • Dynamo: mechanische Energie $\rightarrow$ elektrische Energie
    $\Rightarrow$ Ein Dynamo ist ein Gerät, das mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dies geschieht, indem eine bewegliche Komponente – oft ein Magnet – rotiert. Die dabei erzeugte mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, indem die Bewegung der Magnete in einer dabei befindlichen Spule elektrische Ströme induziert.


    • Holzkohlegrill: chemische Energie $\rightarrow$ Wärmeenergie
    $\Rightarrow$ Bei einem Holzkohlegrill wird chemische Energie in Form von Holzkohle oder Kohlenwasserstoffen durch Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt. Durch die Verbrennung werden chemische Bindungen in den Brennstoffmolekülen aufgebrochen und freigesetzte Energie wird in Form von Wärme abgegeben, die dann zum Grillen von Speisen genutzt wird.
  • Benenne wahre Aussagen zur Energie.

    Tipps

    Auch bei niedrigen Temperaturen haben die Teilchen immer noch Bewegung, was bedeutet, dass Wärmeenergie vorhanden ist.

    Energie wird von potentieller Energie in kinetische Energie umgewandelt, wenn ein Objekt fällt.

    Es sind zwei Antwortmöglichkeiten richtig.

    Elektrische Energie tritt auch natürlich auf, beispielsweise durch Blitzentladungen oder elektromagnetische Prozesse in der Natur.

    Elektrischer Strom überträgt Energie von Kraftwerken zu Haushalten und Unternehmen.

    Lösung
    • Wärmeenergie tritt nur bei hohen Temperaturen auf.
    $\Rightarrow$ Diese Aussage ist falsch: Wärmeenergie tritt bei jeder Temperatur auf. Temperatur ist ein Maß für die kinetische Energie der Teilchen in einem System. Auch bei niedrigen Temperaturen haben die Teilchen immer noch Bewegung, was bedeutet, dass Wärmeenergie vorhanden ist.


    • Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden.
    $\Rightarrow$ Diese Aussage ist richtig: Das Konzept der Energieumwandlung besagt, dass Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann, während die Gesamtmenge der Energie im geschlossenen System erhalten bleibt. Ein Beispiel hierfür ist die Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie, wenn ein Objekt fällt.


    • Elektrische Energie kann nur von Menschen erzeugt werden.
    $\Rightarrow$ Diese Aussage ist falsch: Elektrische Energie kann von Menschen erzeugt werden, indem sie elektrische Generatoren verwenden, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Allerdings tritt elektrische Energie auch natürlich auf, beispielsweise durch Blitzentladungen oder elektromagnetische Prozesse in der Natur.


    • Energieformen können über Energieträger auf andere Körper übertragen werden.
    $\Rightarrow$ Diese Aussage ist richtig: Energieträger sind Mittel, die Energie von einer Quelle zu einem anderen Ort transportieren können. Zum Beispiel überträgt elektrischer Strom Energie von Kraftwerken zu Haushalten und Unternehmen. Energieträger spielen eine entscheidende Rolle bei der Verteilung und Nutzung von Energie in verschiedenen Systemen.
  • Erläutere die Energieumwandlungen des Wagens.

    Tipps

    Während der Wagen die schräge Fläche hinunterrollte, bemerkten die Freunde, wie er immer schneller wurde. Die potentielle Energie, die er aufgrund seiner erhöhten Position hatte, wurde in kinetische Energie umgewandelt, da er an Geschwindigkeit gewann.

    Die Freunde erkannten, dass die kinetische Energie des Wagens sich in Verformungsenergie verwandelt hatte, als er mit großer Kraft auf die Wand traf.

    Die gespürte Wärme war ein Zeichen dafür, dass ein Teil der kinetischen Energie des Wagens in Wärmeenergie umgewandelt worden war.

    Lösung

    Der Wagen startete auf einer höheren Position, was ihm potentielle Energie verlieh. Diese Energie ist auf die Höhe über dem Bezugspunkt (Bodenniveau) zurückzuführen, die in diesem Fall die Startposition des Wagens war.

    Während der Wagen die schiefe Ebene hinunterrollte, wurde ein Teil seiner potentiellen Energie in kinetische Energie umgewandelt. Die kinetische Energie stieg mit der Geschwindigkeit des Wagens. Sie ist die Energie, die aufgrund der Bewegung des Wagens vorhanden war.

    Beim Aufprall des Wagens auf die Wand wurde kinetische Energie in Verformungsenergie und Wärmeenergie umgewandelt. Die kinetische Energie des Wagens wurde durch die Kollision in die Verformung der Karosserie und der Knautschzonen sowie in die Veränderungen der Struktur des Wagens umgesetzt, wobei sich die verformten Teile auch erwärmten.

    Obwohl der Wagen nun nicht mehr fahrtüchtig war, hatten die Freunde viel über die Umwandlung von Energie gelernt. Denn sie erkannten, wie verschiedene Energieformen ineinander übergehen können: von der potentiellen Energie aufgrund der erhöhten Position des Wagens über die kinetische Energie während des Hinunterrollens bis hin zur Verformungsenergie und Wärmeenergie beim Aufprall.

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