Energie

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Einheit

Die Einheit der Energie ist das Joule \(\lbrack E \rbrack = \text J = \text {kg}\cdot \text m^2/\text s^2\).

Ein Joule ist in unserer makroskopischen Welt eine sehr kleine Energiemenge, in der mikroskopischen Welt dagegen eine gigantische Menge.

Beispiel: Wie viel Energie ist ein Joule?

  • Kinetische Energie: Eine 100g-Tafel Schokolde mit v = 4,4 m/s.
  • Potenzielle Energie: Eine 100g-Tafel Schokolde in der Höhe von 1 m.
  • Chemische Energie: Eine 100g-Tafel Schokolde in 2,2×106 Stücke geteilt, davon 1 Stück

Was ist Energie?

Energie ist eine der abstrak­testen Größen, die die Physik überhaupt kennt. Und ganz sicher nicht nur die Fähig­keit, Arbeit zu ver­richten, wie man es meist in der Schule lernt. Nur ein Teil der Energie in einem System kann Arbeit verrichten, man nennt ihn Exergie. Den übrigen Anteil nennt man Anergie. Ex­er­gie ist für uns wertvoller als Anergie, des­halb sprechen wir von Energie­ent­wer­tung, wenn Exergie in Anergie umge­wan­delt wird. Den Vorgang nennt man Dissipation („Zer­streu­ung“). Dabei wird Energie einer ge­rich­teten Bewegung auf die ungeordnete Bewe­gung von Atomen oder Molekülen verteilt. Wir wissen jetzt, was Energie nicht ist, aber was ist sie dann? Tatsächlich ist die Energie ein ab­strak­tes Chamä­leon, das sowohl völlig formlos als auch in vielen Formen auftritt! Die Formen las­sen sich vielfältig ineinander umwandeln und übertragen.

Hat etwas, das ständig seine Form verändert überhaupt eine eigene Form? Nur weil wir ein oft benutztes Wort für etwas haben, haben wir nicht unbedingt eine Vorstellung davon (siehe Kraft). Die Rede­wen­dung „Energie in Form von... Solar­ener­gie, chemischer Energie, elektri­scher Ener­gie, potenzieller Energie, kine­tischer Energie usw.“, hören wir sehr oft. Aber was ist eigent­lich damit gemeint? Die vielen Vorsätze benennen zentrale Eigenschaften der Energie: Sie benötigt immer einen Träger. Und man kann sie von einem Träger auf den anderen umladen. Und man kann sie speichern. „Reine Energie“ gibt es nur im Science Fiction.

Energieträger und Energieform

Umgangssprachlich identi­fiziert man oft den Energieträger mit der Energie selbst. Können Sie erklären, wie sich das Licht der Sonne von seiner Energie unter­scheidet? Oder was der Unterschied zwischen einem elektrischen Strom und seiner Energie ist? Zur Konkretisierung ein anschauliches Beispiel:

Beispiel Sandform: Ein Kind spielt im Sand­kasten und hat ein paar Sandformen (Herz, Stern, Muschel), eine Schaufel und einen Eimer dabei. Es nimmt die Muschelform und schau­felt damit Sand in den Eimer, bis er halb voll ist. Dann nimmt es die Schaufel und füllt den Eimer bis zum Rand mit Sand auf. Zum Schluss setzt es ein Sandherz und einen Sandstern obendrauf. Das Ergebnis gefällt ihm nicht, also kippt es den ganzen Sand aus dem Eimer wieder in den Sandkasten.

Kämen Sie auf die Idee, der Eimer enthielte zur Hälfte „Muschelsand“, zur Hälfte „Schaufelsand“ mit Spuren von „Herz-“ und „Sternsand“? Und all das wird als „Eimersand“ wieder dem „Kistensand“ hinzu­gefügt? Eher nicht, denn Sand ist Sand und durch welchen Träger, also in welcher Form er dem Eimer zugeführt wird, ist für die Sandmenge im Eimer egal. Nur während des Trans­ports wird er in eine Form gepresst, im Eimer und im Sandkasten ist er formlos. Beides enthält einfach Sand.

Energie ist formlos wie dieser Sand. Wenn sie transportiert wird, hat sie eine Form. Wenn sie irgend­wo gespeichert ist, ist sie formlos und kann bis auf den dissipierten Anteil in beliebiger Form wieder entnommen werden. Tatsächlich steht unser Denken und deshalb auch unser Sprachgebrauch zu dieser Auffassung in krassem Wider­spruch. Wir sprechen von der Energie so, als ob sie ihre Form auch im Speicher behalten würde:

Beispiel für typischen Sprachgebrauch: Wenn wir einen Stein hochheben, erhält er potenzielle Energie \(E_{pot} = mgh\). Wenn wir ihn fallen lassen, wird seine potenzielle Energie in kinetische Energie \(E_{kin} = \frac 12 mv^2\) umgewandelt. Wenn er auf den Boden trifft, wird seine kinetische Energie in Wärme umgewandelt.

Diese vollkommen übliche Formu­lierung enthält einige Un­klar­heiten. Sie unter­scheidet nämlich nicht zwischen dem Energieübertragungsprozess und dem Energie­inhalt. Starten wir mit dem letzten Satz: Er suggeriert, am Ende sei „die Energie in Form von Wärme im Boden drin“. Wärme ist aber wie Arbeit eine Prozess­größe, und deshalb gibt es sie nur bei einem Austauschvorgang. Sie kann nirgendwo „drin“ sein. Nur die in der Form „Wärme“ ausgetauschte Ener­gie­menge ist am Ende zusätzlich in der Erde „drin“. Ähnlich ist es mit den andern beiden Sätzen: Wenn wir den Stein hochheben, übertragen wir Energie in Form von Arbeit durch Änderung der potenzieller Energie. Das bedeutet aber nicht, dass sein Energieinhalt \(E\) diese Form hat, wie es der Satz suggeriert. Denn seinen Energieinhalt \(E\) können wir ihm durch eine beliebige Form wieder entziehen, z. B. in Form von kinetischer Energie, mechanischer Energie, Spannenergie, elektrischer Energie.

Wenn wir im PhysKi von der Energie ohne Zusatz sprechen, ist der formlose Energieinhalt \(E\) eines Systems gemeint. Alle Energieformen bekommen einen Index, der sie identifiziert, z. B. \(E_{kin}\), \(E_{pot}\), \(E_{chem}\) usw.