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Energie in Natur und Technik

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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.

Finales Energie in Natur und Technik Quiz

Frage

Was beschreibt die Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Energie beschreibt die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszustrahlen.

Frage anzeigen

Frage

Welches Formelzeichen und welche Einheit hat Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Formelzeichen von Energie ist E, ihre Einheit ist Joule J.

Frage anzeigen

Frage

In welchen Bereichen außerhalb der Physik spielt Energie eine Rolle?

Antwort anzeigen

Antwort

Energie kommt sehr oft vor in Chemie sowie in Biologie vor. Daher ist sie ein wichtiger Teil unseres täglichen Alltags.

Frage anzeigen

Frage

Was beschreibt der Energieerhaltungssatz?

Antwort anzeigen

Antwort

Nach dem Energieerhaltungssatz bleibt die Summe aller Energien in einem abgeschlossenen System konstant - also Energie geht nie verloren, sie kann nur umgewandelt werden.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Energieträger?

Antwort anzeigen

Antwort

Energieträger sind Stoffe, deren Energie mithilfe von Energieumwandlung nutzbar gemacht werden kann. Man unterscheidet bei Energieträgern in primäre und sekundäre Energieträger.

Frage anzeigen

Frage

Was sind primäre Energieträger?

Antwort anzeigen

Antwort

Primäre Energieträger sind Energieträger, die genau so in ihrer Form in der Natur vorkommen und keinen Zwischenprozess vor der Energieumwandlung brauchen. Es gibt regenerative und fossile primäre Energieträger.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Beispiele für regenerative primäre Energieträger?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Sonnenenergie
  • Biomasse
  • Wasserkraft
  • Windenergie
Frage anzeigen

Frage

Welche Beispiele für fossile primäre Energieträger gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Erdgas
  • Erdöl
  • Steinkohle
Frage anzeigen

Frage

Was sind sekundäre Energieträger?

Antwort anzeigen

Antwort

Sekundäre Energieträger - im Gegensatz zu primären - sind Stoffe, die aus anderen Stoffen bestehen und erst umgewandelt werden mussten, um für Energieumwandlung nutzbar zu sein.

Frage anzeigen

Frage

Nenne Beispiele für sekundäre Energieträger.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Diesel und Benzin (Kraftstoffe)
  • Glucose
  • Wasserstoff
Frage anzeigen

Frage

Was ist die potentielle Energie und wie lautet der andere Name dafür?

Antwort anzeigen

Antwort

Potentielle Energie wird auch Lageenergie genannt und sie beschreibt den Energiegehalt eines Körpers über einer vorher festgesetzten Ausgangshöhe. 

Je höher ein Körper über der Ausgangshöhe ist, desto höher ist der Energiegehalt des Körpers.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der andere Name für die kinetische Energie und was beschreibt sie?

Antwort anzeigen

Antwort

Kinetische Energie wird auch Bewegungsenergie genannt, da sie den Energiegehalt eines sich bewegenden Körpers beschreibt. Je höher die Geschwindigkeit, desto mehr kinetische Energie enthält der Körper.

Frage anzeigen

Frage

Wofür steht die thermische Energie? Wie wird sie noch genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die thermische Energie (auch Wärmeenergie) beschreibt die Energie, die in der ungeordneten Bewegung der mikroskopischen Bestandteile, Atome oder Moleküle, eines Systems steckt. Mit ihr kannst du berechnen, wie viel Energie bei Erwärmung oder Abkühlung von Stoffen gebraucht wird.

Sie beschreibt also nicht den Energiegehalt von warmem Wasser o.Ä.!

Frage anzeigen

Frage

Für was wird elektrische Energie gebraucht und was ist das Besondere an ihr?

Antwort anzeigen

Antwort

Elektrische Energie lässt sich in bspw. Strom finden. Sie hat keinen anderen Namen und darf nicht mit Strom verwechselt werden!

Strom ist gewissermaßen nur das Medium, das elektrische Energie aus der Steckdose über dein Ladegerät in dein Handy befördert. Das, was dein Handy eigentlich laufen lässt, ist die elektrische Energie selbst.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Einheit von elektrischer Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Elektrische Energie benutzt die Einheit Wattsekunden Ws, welche im Verhältnis 1 J = 1 Ws zu Joule steht.

Frage anzeigen

Frage

Was verbindet potentielle und kinetische Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Diese beiden Energien - im Gegensatz zur thermischen und elektrischen Energie - sind die beiden Bestandteile der mechanischen Energie und benutzen beide mechanische Einheiten wie Masse, Höhe, Geschwindigkeit zur Berechnung.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Grundsatz, um herauszufinden, ob etwas Energie enthält?

Antwort anzeigen

Antwort

Man muss schauen, ob der Körper/der Stoff Arbeit verrichten, Wärme abgeben oder Licht ausstrahlen kann.

Frage anzeigen

Frage

Was zählt zur belebten Natur?

Antwort anzeigen

Antwort

Zur belebten Natur zählen jegliche Lebewesen der Erde, unter anderem auch Bakterien und Viren. Also alles, in dem Stoffwechselprozesse jeglicher Art geschehen.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die unbelebte Natur?

Antwort anzeigen

Antwort

Die unbelebte Natur besteht aus allem, was nicht lebendig ist und nicht vom Menschen geschaffen wurde.

Frage anzeigen

Frage

Gib Beispiele für die belebte Natur an.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Menschen
  • jegliche Tiere
  • Bakterien
  • Pflanzen
Frage anzeigen

Frage

Gib Beispiele für die unbelebte Natur an.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Maschinen
  • Fortbewegungsmittel
  • Möbel
  • Luft
  • Planeten
Frage anzeigen

Frage

Was braucht man oftmals, bevor man Energie nutzen kann?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Energieumwandlungsprozess ist oftmals nötig, da wir die Energie sonst nicht in ihrer Form benutzen können.

Frage anzeigen

Frage

Was sind Energien in der unbelebten Natur?

Antwort anzeigen

Antwort

Energie findet sich in der unbelebten Natur oft in natürlichen begrenzten Ressourcen oder unendlichen Ressourcen vor. 

Frage anzeigen

Frage

Gib Beispiele für Energiequellen aus der unbelebten Natur an.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Sonnenstrahlen
  • Wind- und Wasserkraft
  • Erdöl
Frage anzeigen

Frage

Warum braucht die belebte Natur Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Da in Körpern der belebten Natur Stoffwechselprozesse geschehen und sich diese Körper damit entweder fortbewegen oder wachsen, wird Energie benötigt.

Frage anzeigen

Frage

Wo kannst du beispielsweise die Angewiesenheit von belebter Natur auf Energie erkennen?

Antwort anzeigen

Antwort

  • eine Zimmerpflanze, die zu lange kein Sonnenlicht bekommt, stirbt irgendwann
  • wenn man zu lange nichts isst, beruft sich der Körper zum Energieerhalt erst auf die Fettspeicher, irgendwann stirbt man aber
Frage anzeigen

Frage

Woher bekommen Pflanzen ihre Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Aus den Sonnenstrahlen bzw. nachts durch CO2.

Frage anzeigen

Frage

Woher bekommen wir unsere Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Aus der Glucose, die im Körper in Glykogen umgewandelt wird.

Frage anzeigen

Frage

Haben Körper und Stoffe der unbelebten Natur immer Energie in sich?

Antwort anzeigen

Antwort

Körper und Stoffe der unbelebten Natur müssen nicht zwingendermaßen Energie in sich selbst tragen. Sie können auch bspw. durch ihre Bewegung zur Energiegewinnung genutzt werden.

Frage anzeigen

Frage

Gib ein Beispiel an für einen Körper/Stoff der unbelebten Natur, der Energie nicht direkt in sich trägt.

Antwort anzeigen

Antwort

Bsp: Wind

Wind an sich trägt keine Energie in sich, auch, wenn er sich "bewegt". Erst das Ausnutzen dieser Bewegung durch Windräder führt zum Energiegewinn.

Frage anzeigen

Frage

Welche Komponenten sind bei der Energieumwandlung relevant?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Energieform 1
  • Energieform 2
  • Energiewandler
  • entwertete Energie
Frage anzeigen

Frage

Wofür brauchen wir die Umwandlung bzw. Übertragung von Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Wir brauchen sie, um Energie aus Energiequellen für uns brauchbar zu machen.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Beispiel für eine Energieumwandlung, die schon natürlicherweise stattfindet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Energieumwandlung von chemischer Energie aus der Nahrung, die wir zu uns nehmen, findet automatisch schon im Körper statt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Energieübertragung?

Antwort anzeigen

Antwort

Energieübertragung ist der „Transport“ von Energie von einem Körper zu einem anderen.

Frage anzeigen

Frage

Wofür stehen Energieform 1 und 2?

Antwort anzeigen

Antwort

Energieform 1 ist die Energieform, die vorliegt, bevor die Energieumwandlung stattgefunden hat.

Energieform 2 ist die Energieform, die nach der Energieumwandlung vorliegt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die entwertete Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Energieentwertung bedeutet, dass quasi ein „Nebenprodukt“ entsteht zu der Energieform, die man eigentlich haben will. Dieses „Nebenprodukt“ ist immer noch Energie, aber nicht in der gewünschten Form.

Frage anzeigen

Frage

Was resultiert aus der Energieentwertung?

Antwort anzeigen

Antwort

Nicht 100% der umgewandelten Energie kann für die eigentliche Intention gebraucht werden.

Frage anzeigen

Frage

Was ist in einem Elektromotor Energieform 1, 2, Energieumwandler und entwertete Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Elektrische Energie: Energieform 1

  • Elektromotor: Energiewandler

  • Mechanische Energie: Energieform 2

  • Thermische Energie: Nebenprodukt

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein Beispiel für die Kombination von Energieumwandlung und -übertragung?

Antwort anzeigen

Antwort

Photovoltaikanlagen auf Hausdächern oder an anderen Standorten machen Gebrauch von der Energieübertragung durch die Sonnenstrahlen und Energieumwandlung der Lichtenergie zu elektrischer Energie.

Frage anzeigen

Frage

Was ist der Energiewandler?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Energiewandler ist der Auslöser des ganzen Energieumwandlungsprozesses. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Energieform 1 und 2 bei einer Energiesparlampe?

Antwort anzeigen

Antwort

Energieform 1: elektrische Energie

Energieform 2: Lichtenergie

Frage anzeigen

Frage

Wie hängen belebte und unbelebte Natur zusammen?

Antwort anzeigen

Antwort

Alle Teile der belebten Natur sind auf unbelebte Natur als Energiequelle angewiesen.

Frage anzeigen

Frage

Wie ist die Energie definiert?

Antwort anzeigen

Antwort

Energie beschreibt die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten, Wärme oder Strahlung abzugeben. 

Frage anzeigen

Frage

Welches Formelzeichen bezeichnet die Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Das E.

Frage anzeigen

Frage

Welche Einheit hat die Energie?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Joule.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt der Energieerhaltungssatz?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Gesamtenergie eines geschlossenen Systems zeitlich konstant ist. Das bedeutet, dass keine Energie erschaffen oder vernichtet werden kann.

Frage anzeigen

Frage

Was ist ein geschlossenes System?

Antwort anzeigen

Antwort

Ein geschlossenes System ist ein System, bei dem mit der Umgebung kein Stoffaustausch stattfindet. 

Frage anzeigen

Frage

Welche vier grundlegenden Kategorien an Energieformen gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

Mechanische, Innere, Elektrische und Strahlungsenergie

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die potentielle Energie noch bezeichnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Als Höhenenergie oder Lageenergie.

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Frage

Wie wird die kinetische Energie noch bezeichnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Als Bewegungsenergie.

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