Energieumwandlung und Energieerhaltung

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Was ist Energie? – Der Energiebegriff
• Formen von Energie
• Energieumwandlung und energetische Betrachtungen
• Energieerhaltung und Energieentwertung

Was ist Energie? – Der Energiebegriff

Für den Energiebegriff gibt es viele verschiedene Definitionen. Am häufigsten beschreibt man mit der Energie die mögliche Arbeitsfähigkeit eines Systems:

Die Energie gibt an, wie viel Arbeit ein System verrichten kann.

Dabei ist es sehr wichtig, die Arbeit $W$ und die Energie $E$ zu unterscheiden. Beide physikalischen Größen verwenden die Einheit Joule $\text{J}$, aus praktischen Gründen wird jedoch häufiger das Kilojoule $\text{kJ}$ verwendet. Der Unterschied ist jedoch, dass Energie eine Zustandsgröße und die Arbeit eine Prozessgröße ist. Das bedeutet, dass die Arbeit $W$ die Energieänderung $\Delta E$ beschreibt. Jeder Energieträger ist in einem Zustand, in dem er Arbeit verrichten könnte. So kann beim Beispiel des Heißluftballons Gas verbrannt werden und damit am Ende Hubarbeit geleistet werden.

Es wird immer dann eine Arbeit verrichtet, wenn Energie übertragen oder umgewandelt wird.

Formen von Energie

Es gibt unzählige Energieformen. Die Formen, die am häufigsten Verwendung finden, lauten:

• die Wärmeenergie,
• die kinetische Energie, auch Bewegungsenergie genannt,
• die potentielle Energie, auch Lageenergie genannt,
• die Spannenergie,
• die elektrische Energie,
• die Kernenergie,
• chemische Energie und
• die innere Energie.

Energieumwandlung und energetische Betrachtungen

Jede dieser Formen kann bei der Energieumwandlung in eine beliebig andere Form umgewandelt werden. So wird beim Spannen eines Bogens zunächst die chemische Energie der Nahrung über die Muskeln in kinetische Energie umgewandelt, die dann die Spannenergie des Bogens aufbaut. Würde man den Pfeil nun loslassen, würde die Spannenergie in potentielle und kinetische Energie des Pfeils umgewandelt werden.

Dabei treten durch Reibung und andere Faktoren auch immer wieder unerwünschte Nebenumwandlungen auf, deren Resultat immer Wärmeenergie ist. In unserem Beispiel würden sich die Muskeln bei der Anstrengung erwärmen.

Energieerhaltung und Energieentwertung

Der Energieerhaltungssatz gilt für jede energetische Betrachtung. Er lautet:

Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie kann aber in eine andere Form umgewandelt werden.

Es gibt also keinen Energieverlust. Da fragt man sich doch aber, was man bei einer Stromrechnung bezahlt und was es mit dem Stromverbrauch auf sich hat.

Um diesen Umstand physikalisch eindeutiger zu benennen, wurde ein weiterer Begriff in die Fachsprache aufgenommen: die Energieentwertung.

Diese Entwertung funktioniert wie das Entwerten einer Fahrkarte: Solange sie noch nicht eingelöst ist, besitzt sie einen Wert. Wurde die Fahrt genutzt, ist sie noch da, besitzt aber einen geringeren Wert für uns. Auch Energie kann durch eine Umwandlung entwertet werden. Der Wert bemisst sich für uns daran, wie vielseitig die Energie einsetzbar und damit umwandelbar ist. So hat elektrische Energie durch ihre universelle Verwendbarkeit für uns einen sehr hohen Wert, während freie Wärmeenergie eher einen geringen Wert für uns besitzt, da sie sich nicht so leicht umwandeln lässt.