Energie in Natur und Technik

In diesem Artikel findest du einen Überblick über alles Wichtige, was du zur Energie in Natur und Technik wissen musst. Das Thema gehört zum Fach Physik und ist einer der Grundbausteine, auf die die ganze Physik aufbaut.

Wir erklären dir die Grundlagen der Energie in Natur und Technik und geben dir Einblicke in weitere Unterthemen. Wenn du Genaueres über diese erfahren willst, findet du die entsprechenden Artikel hier auf StudySmarter!

Wer hat Energie erfunden und was ist sie überhaupt?

An der Zusammentragung des Wissens über Energie, wie wir sie heute kennen, waren über viele Jahrhunderte sehr viele Menschen beteiligt. Sie ist keine „Erfindung“ in dem Sinne, sondern existierte schon immer. Schon im 17. Jahrhundert kannte man Energie auch als solches, den physikalischen Begriff hat aber erst der Physiker Thomas Young 1807 in die Mechanik gebracht. Nach ihm haben Wissenschaftler wie Johann I Bernoulli, Benjamin Thompson oder auch Albert Einstein erst die Grundlagen der Energie, später auch Einzelheiten, entdeckt und erläutert.

Energie ist eine physikalische Größe. Sie spielt nicht nur in der Physik, sondern auch in der Chemie, Biologie und vielen weiteren Gebieten – so auch im alltäglichen Leben – eine große Rolle. Sie beschreibt die physikalische Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben und Licht auszustrahlen. Manche Energieformen beschreiben den Zustand von Körpern und gelten damit als Zustandsgrößen. Ihr Formelzeichen ist E und ihre Einheit ist Joule (1 J). Energie ist nicht zu verwechseln mit Strom, welcher nur elektrische Energie transportiert, jedoch nicht als Synonym verwendet werden kann!

Warum ist Energie so wichtig?

Energie ist wichtig, weil sie für uns in allen Lebensbereichen eine Rolle spielt. Muss beispielsweise etwas hochgehoben, erwärmt oder eine Maschine angeschaltet werden, braucht dies Energie. Die älteste Energiequelle, die wir haben, ist die Sonne. Seit dem 19. Jahrhundert ist jedoch die elektrische Energie von besonderer Bedeutung. Ohne diese würden Laptops, Tablets und Handys, aber auch alle anderen Haushaltsgeräte, die Strom brauchen, nicht funktionieren.

Aber nicht nur Gegenstände brauchen Energie. Auch jegliches Leben, einschließlich uns Menschen, ist angetrieben von Energie.

Energie, Energieträger und Energieformen

Energie erscheint in vielen verschiedenen Formen, die sich auf verschiedene Arten berechnen lassen. Die Hauptformen, die man kennen sollte und Beispiele, in denen diese eine Rolle spielen, sind:

• Potenzielle Energie (Lageenergie) EPot: ein verbogener Stabhochsprungstab, der den Stabhochspringer nach oben befördert
• Kinetische Energie (Bewegungsenergie) EKin: ein Fahrrad, das durch das Treten der Pedale in Bewegung gesetzt wird
• Thermische Energie (Wärmeenergie) ETherm: Verbrennen von Kraftstoff in einem Motor
• Elektrische Energie EElek: Anschalten von Lampen, aber auch Blitze während eines Gewitters
• Chemische Energie EChem: in Nahrung und Brennstoffen

Es gibt Energieträger, die natürlich vorkommen (Primärenergieträger) sowie solche, die schon umgewandelt worden sind (Sekundärenergieträger). Bei Primärenergieträgern unterscheidet man dazu noch zwischen regenerativen Energieträgern und fossilen Energieträgern – also diesen, die unerschöpflich sind bzw. unendlich vorkommen, und welchen, von denen es nur eine bestimmte Menge gibt.

Beispiele für Primärenergieträger sind:

• Erdöl
• Sonnenenergie
• Uran
• Kohle
• Windenergie

Beispiele für Sekundärenergieträger sind:

• Diesel, Benzin
• Wasserstoff
• Strom

Gespeichert werden kann Energie zwar, aber nur in einem kleineren Maße und die Speicherung erfordert meist eine Umwandlung der Energieformen. Beispiele für Energiespeicher sind Akkus für elektrische Energie, Wärmflaschen für thermische Energie oder Kraftstoffe wie Diesel, die Energie in Form von chemischer Energie speichern, welche dann beim Verbrennen in kinetische umgewandelt wird.

Wie man die jeweiligen Energieformen berechnet und weitere Einzelheiten zu diesen sowie den Energieträgern, findest du in dem Artikel Energie, Energieträger und Energieformen!

Umwandlung und Übertragung von Energie

Verschiedene Energieformen können ineinander umgewandelt werden und Energie kann übertragen werden. Hierbei kann es zur sogenannten Energieentwertung kommen – in einem abgeschlossenen System geht Energie aber nie verloren, sie wird höchstens unbrauchbar für weitere Umwandlungen oder Übertragungen!

Gibt ein Körper A beispielsweise Wärme an einen anderen Körper B ab, verliert A an Energie. Diese Energie geht aber nicht verloren, sondern überträgt sich einfach auf Körper B. In einem abgeschlossenen System (ein physikalischer Raum ohne Sauerstoff- oder Energieaustausch mit der Umgebung) geht also nie Energie verloren – die Summe aller Energien bleibt immer konstant. Dies ist der sogenannte Energieerhaltungssatz.

Auch wenn Energie nie verloren geht, wird bei jeglichen Vorgängen in Natur und Technik immer ein Teil der Energie in thermische Energie, also Wärmeenergie, umgewandelt. Diese kann der Umgebung zwar nicht entzogen, gleichzeitig kann sie aber auch nicht mehr nutzbar gemacht werden. Damit wird sie also entwertet und für die weiteren Vorgänge steht weniger Energie zur Verfügung. Manchmal wird dies auch als Energieverlust bezeichnet, stimmt aber aufgrund des Energieerhaltungsgesetzes nicht ganz.

Beschrieben wird Energieentwertung auch als das Phänomen, dass ein Vorgang nie von alleine rückgängig gemacht werden kann, sondern nur durch erneute Hinzugabe von Energie. Besonders zu beobachten ist das in der Mechanik.

Rollt eine Kugel beispielsweise auf einem Tisch, so „verliert“ sie einen Teil ihrer kinetischen Energie, da durch die Reibung auf dem Tisch Wärme – also thermische Energie – entsteht. Auch wenn nur so wenig, dass wir diese nicht spüren können. Mit dem Energieerhaltungsgesetz ist zwar noch die gleiche Menge an Energie in diesem Raum, aber eben in Form von kinetischer Energie und in der umgewandelten Form – der thermischen Energie. Da letztere nicht zum Rollen der Kugel benutzt werden kann, kommt die Kugel durch den „Verlust“ dieser Energie irgendwann zum Stehen. Das ist auch der Grund, warum ein Vorgang nie ohne konstante Hinzugabe von Energie unendlich lange laufen könnte.

Lese dir doch den Artikel zur Umwandlung und Übertragung von Energie durch, um noch mehr Einzelheiten zu erfahren!

Energie in der belebten und unbelebten Natur

Energie kann in der belebten Natur beispielsweise in Form von Fotosynthese bei Pflanzen beobachtet werden. Vereinfacht gesagt wird hierbei die Lichtenergie der Sonne in chemische Energie umgewandelt, welche die Pflanzen antreibt. Genauso verhält es sich auch mit chemischer Energie aus unserer Nahrung. Der Körper nimmt diese durch Essen auf und verwandelt sie in kinetische Energie, die es uns ermöglicht, uns zu bewegen. Dabei entsteht aber auch thermische Energie. Das ist der Grund, warum wir zittern, wenn uns kalt ist.

In der unbelebten Natur findet man Energie unter anderem in der Erde, die sogenannte Erdwärme. Diese thermische Energie befindet sich unter der Erdoberfläche und besteht zum Teil aus der Wärme, die bei der Entstehung des Erdkerns entstanden ist, aber auch aus dem ständigen Zerfall von Isotopen. Aber natürlich ist auch hier die Sonne der größte und wohl wichtigste Energieträger, den wir kennen.

Generell lässt sich Energie in jedem Körper, der in irgendeiner Weise etwas bewirken kann, finden. Dabei spielt es keine Rolle, ob es ein unbelebter Gegenstand oder ein Lebewesen ist.

Wenn du mehr über Energie in der belebten und unbelebten Natur wissen möchtest, lies dir den Artikel darüber durch!

Energie in Natur und Technik – Alles Wichtige auf einen Blick!

• Energie spielt für alle Bereiche des täglichen Lebens eine große Rolle.
• Sie ist eine physikalische Größe, in manchen Formen dazu auch eine Zustandsgröße.
• Die Einheit von Energie ist Joule.
• Es gibt verschiedene Energieformen, die in verschiedenen Situationen eine Rolle spielen.
• Energie kommt natürlicherweise in verschiedenen Energieträgern vor – primären Energieträgern und sekundären Energieträgern.
• Durch das Energieerhaltungsgesetz geht Energie in einem abgeschlossenen Raum nie verloren.
• Da aber bei jedem Vorgang ein Teil der Energie in thermische Energie umgewandelt wird, findet eine Energieentwertung statt.
• Energie kommt in jedem Körper vor, der Arbeit verrichten, Wärme abgeben oder Licht ausstrahlen kann.