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.

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 $E$:

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

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.

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:

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:

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 $E_\text{pot}=490{,}5~\text{J}$.

Umwandlung zwischen Energieformen

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

Häufig gestellte Fragen zum Thema Energie und Energieformen