Jeden Tag verbrauchst Du Energie, z. B. wenn Du in die Schule gehst, wenn Du nachmittags eine Runde mit Deinem Rad fährst, oder auch nur, wenn Du versuchst, Deine Physikhausaufgaben zu lösen.
Energie kann in vielen Formen existieren und auch in eine andere Form umgewandelt werden.
Energie: Einheit, Definition und Formelzeichen
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 täglichen Leben – eine große Rolle.
Energie findest Du zum Beispiel an vielen Orten in Deinem Alltag, sei es die Sonne, ein Ofen oder ein Müsliriegel. Vielleicht liest Du diesen Text gerade auf einem Computer oder Handy – beides wird betrieben von einer bestimmten Form der Energie: der elektrischen Energie.
Energie beschreibt die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten, Wärme oder Strahlung abzugeben.
Das Formelzeichen der Energie ist das E.
Die Einheit der Energie ist das Joule:
Je nach Energieform findest Du die Energie mit verschiedenen Indizes.
Aber Vorsicht! Es gibt noch eine wichtige Größe in der Physik, die mit einem E bezeichnet wird: das elektrische Feld. Achte daher immer auf den Kontext, in dem Du diesem Formelzeichen begegnest. Eine einfache Unterscheidung kannst Du dann vornehmen, wenn das Formelzeichen einen beschreibenden Index besitzt, z. B. Eel oder Epot . Dann handelt es sich dabei meist um Energieformen und nicht um das elektrische Feld. Das elektrische Feld besitzt im Regelfall keinen beschreibenden Index, höchstens eine Nummerierung, wie E1 und E2.
Manchmal findest Du auch eine andere Einheit der Energie: die Kilokalorie kcal. Diese Energieeinheit wird allerdings für physikalische Betrachtungen eher selten verwendet. Du findest sie aber zum Beispiel auf Deinem Müsliriegel: Lebensmittel werden immer mit einer Energieangabe in Kilokalorien versehen. Du kannst einfach mal auf einer Lebensmittelverpackung bei Dir zu Hause nachsehen. Dort wirst Du diese Einheit der Energie finden.
Energieformen (+ Tabelle) und Energieumwandlung
Energie hat viele Formen, die in verschiedenen Situationen auftreten können. Sie werden auf unterschiedliche Weise berechnet, können aber alle ineinander umgewandelt werden. Im Folgenden findest Du Informationen über die Energieumwandlung und einen Überblick über die wichtigsten Energieformen.
Energieerhaltung & -umwandlung
Ein wichtiges physikalisches Prinzip ist die Energieerhaltung. Energie kann in einem geschlossenen System nicht verloren gehen.
Ein geschlossenes System ist ein System, bei dem mit der Umgebung kein Stoffaustausch stattfindet. Du kannst es Dir wie einen geschlossenen Behälter vorstellen, der zwar eventuell verformbar ist und der Wärme abgeben kann, aus dem aber keine Materie austreten kann.
Zum Beispiel ist eine Thermoskanne ein geschlossenes System. Der Tee oder Kaffee kann nicht raus, aber nach einiger Zeit wird er kalt, da die Wärme über die Flaschenwand abgegeben wird.
Über einer Zeitachse aufgetragen, wäre die Energie eines Systems also immer gleich (konstant).
Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Gesamtenergie eines geschlossenen Systems zeitlich konstant ist. Das bedeutet, dass keine Energie erschaffen oder vernichtet werden kann.
Mehr Einzelheiten und Beispiele zum Thema Energieerhaltung thermodynamischer Systeme findest Du in den Artikeln des Themengebiets Thermodynamik.
Die Energie ist also eine Erhaltungsgröße. Dieser Begriff gibt an, dass die Größe in einem geschlossenen System erhalten bleibt.
Energieumwandlung? Was heißt das? Energie kommt in verschiedenen Formen vor und kann nicht vernichtet werden. Es stellt sich also die Frage, was passiert mit der Energie, die ein Körper abgibt, wenn sie nicht verloren geht?
Gibt ein Körper Energie ab, dann ändert sich sein Energiegehalt. Doch im System bleibt die Energie erhalten, sie liegt nun eventuell in einer anderen Form vor.
Energieformen
Energie wird zunächst in grundlegende Formen unterschieden: Mechanische, Elektrische, innere Energie und Strahlungsenergie. Die innere Energie kann nochmals unterteilt werden in chemische Energie und thermische Energie. Die Mechanische Energie besitzt z. B. die Unterformen Potentielle Energie und Kinetische Energie. Beispiele zu den verschiedenen Energieformen siehst Du in der folgenden Übersicht:
Potentielle Energie – Höhen-/ Lageenergie
Die potentielle Energie wird oft auch als Höhenenergie oder Lageenergie bezeichnet. Wie die Namen schon verraten, handelt es sich um eine Energieform, die Körper besitzen, wenn sie sich in einer bestimmten Höhe befinden.
Ein Körper der Masse m besitzt an einem Ort mit dem Ortsfaktor g die potentielle Energie Epot, wenn er sich in einer Höhe h über dem definierten Nullniveau (h = 0) befindet.
Ob ein Körper also potentielle Energie besitzt, hängt von seiner Höhe über dem Nullniveau ab. Das Nullniveau ist der Ort, an dem gilt. Also muss zunächst das Nullniveau definiert sein, bevor eine Aussage über die potentielle Energie gemacht werden kann.
Das Nullniveau ist in vielen Fällen der Boden. Aber Du kannst Dein Nullniveau auch anders definieren. Wichtig ist nur, dass das Nullniveau angegeben ist.
Ein Apfel, der auf einem Tisch liegt, hat gegenüber dem Boden als Nullniveau eine potentielle Energie. Setzt Du Dein Nullniveau allerdings als Oberfläche des Tisches, hat der Apfel keine potentielle Energie, da er dieselbe Höhe wie das Nullniveau hat.
Mehr zu diesem Thema, wie Beispiele und Rechnungen, findest Du im Artikel "Potentielle Energie".
Kinetische Energie – Bewegungsenergie
Die kinetische Energie wird auch Bewegungsenergie genannt, weil sie die Energie eines sich bewegenden Körpers beschreibt.
Ein Körper der Masse m besitzt eine kinetische Energie Ekin, wenn er sich mit einer Geschwindigkeit v bewegt.
Kinetische Energie taucht also überall da auf, wo sich Dinge bewegen. Auch in Deinem Alltag wird Dir die kinetische Energie oft begegnen: Dein Fahrrad oder Dein Auto haben beide eine kinetische Energie, wenn sie – durch das Treten in die Pedale oder den Motor angetrieben – fahren und sich somit bewegen. Auch Du hast beim Laufen zum Beispiel eine kinetische Energie.
Thermische Energie – Wärmeenergie
Jeder Stoff mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt besitzt thermische Energie. Sie hängt mit der ungeordneten Bewegung der Teilchen in seinem Inneren zusammen.
Ein Körper der Masse m mit der Wärmekapazität c besitzt thermische Energie Etherm, wenn er eine Temperatur hat.
Angenommen, Du hast einen Eiswürfel vor Dir. Dieser Eiswürfel besitzt eine thermische Energie, da er eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt hat.
Der absolute Nullpunkt () ist die niedrigste mögliche Temperatur. An diesem Punkt kommen alle Teilchen zum Stillstand, und dadurch kann es keine niedrigere Temperatur geben.
Schmilzt Dein Eiswürfel nun, erhöht sich seine Temperatur und damit seine thermische Energie. Die Wassermoleküle lösen sich nun aus dem Gitter und können sich freier bewegen. Wenn Du den geschmolzenen Eiswürfel, also das Wasser, nun noch in einem Topf erhitzt, gewinnen die Moleküle immer mehr an Freiraum. Sie haben also immer mehr Platz, um sich ungeordnet bewegen zu können. Daher steigt die thermische Energie des Wassers immer weiter.
Mehr dazu findest Du im Artikel "Thermische Energie".
Elektrische Energie
Elektrische Energie ist allgegenwärtig. Sie kann gut gespeichert und transportiert werden und wird daher für viele Anwendungen genutzt. Ein typisches Beispiel für den Speicher von elektrischer Energie im Alltag ist eine Batterie.
Elektrische Energie wird mittels Elektrizität übertragen und in elektrischen oder magnetischen Feldern gespeichert. Je nach Speicherform berechnet sich die Energie auf verschiedene Weisen:
- im elektrischen Feld: Liegt eine Spannung U am Kondensator der Kapazität C an, so enthält er die elektrische Energie Eel.
- im magnetischen Feld: Eine Spule mit der Induktivität L, enthält die elektrische Energie Eel, wenn sie mit dem Strom I durchflossen wird.
Elektrische Energie wird meist in Kraftwerken erzeugt. Einige Formen dieser Kraftwerke sind unter anderem Atomkraftwerke, Kohlekraftwerke, Wasserkraftwerke oder Windräder. In all diesen Kraftwerken wird eine vorliegende Energie in elektrische Energie umgewandelt.
Zum Beispiel wird in einem Wasserkraftwerk die Höhenlage des Wassers (potentielle Energie) ausgenutzt, um eine Turbine mit dem herunterfallenden Wasser anzutreiben. In einem Kohlekraftwerk wird die Kohle verbrannt und die dabei entstehende thermische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Elektrische Energie, wie wir sie aus unserem Alltag kennen, kommt also meistens aus einem Kraftwerk, das die Fähigkeit der Energieumwandlung nutzt.
Du kannst dazu in den Artikeln "Elektrische Feldenergie", "Energie des magnetischen Feldes" und "Kraftwerke" mehr erfahren.
Energieformen im Überblick
Hier findest Du nochmal einen Überblick über die Energieformen mit den wichtigsten Informationen:
| Potentielle Energie | Kinetische Energie | Thermische Energie | Elektrische Energie |
| Visualisierung | | | | |
| Definition | Ein Körper besitzt potentielle Energie, wenn er sich in einer Höhe h über dem Nullniveau befindet | Ein Körper, der sich mit einer Geschwindigkeit v bewegt, besitzt kinetische Energie | Jeder Körper mit einer Temperatur T>0 K besitzt thermische Energie durch die ungeordnete Bewegung der Teilchen in seinem Inneren | Elektrische Energie wird durch Elektrizität übertragen und kann im elektrischen oder magnetischen Feld gespeichert sein |
| Formel | | | | |
| Variablen | m - Masseg - Ortsfaktorh - Höhe | m - Massev - Geschwindigkeit | m - Massec - WärmekapazitätT - abs. Temperatur | C - KapazitätU - SpannungL - InduktivitätI - Strom |
| Einheit | | | | |
Energieträger Definition & Tabelle
Wo kommt die Energie her, mit der wir unsere Autos betreiben, mit der wir Strom für unsere Lampen erzeugen? Wir erhalten diese Energie aus sogenannten Energieträgern.
Energieträger sind Stoffe, die Energie speichern können und deren Energiegehalt dann durch Energieumwandlung nutzbar gemacht werden können. Hierbei wird in primäre und sekundäre Energieträger unterschieden.
Primäre Energieträger findest Du direkt in der Natur. Es gibt dort zum einen regenerative Energieträger, das heißt, sie sind unendliche Ressourcen, wie das Sonnenlicht oder Wind. Zum anderen gibt es fossile Energieträger. Ihr Vorkommen ist begrenzt. Dazu zählen zum Beispiel Erdöl, Erdgas und Kohle. Primäre Energie ist auch die Atomenergie. Ihre Energieträger sind radioaktive Stoffe, wie Uran.
Sekundäre Energieträger müssen zunächst gewonnen werden. Hierbei werden Primärenergieträger abgebaut und in einen sekundären Energieträger umgewandelt. Diesen Prozess nennt man auch Raffination. So kann zum Beispiel Erdöl in Benzin und Diesel umgewandelt werden.
Hier findest Du eine Übersicht über die Energieträger und zu welcher Kategorie sie gehören.
| Primäre Energieträger | Sekundäre Energieträger |
| regenerativ | - Sonnenlicht
- Wind
- Wasser in Höhenlage
- Gezeiten des Meeres
- Holz (nur so schnell, wie es nachwächst)
- Biomasse
- Geothermie
| - Wasserstoff
- Strom aus Sonnen-/Wind-/Wasserenergie
- Biogas
|
| fossil | | - Diesel
- Benzin
- Strom aus Öl/Gas/Kohle
- Heizöl
- Briketts
|
| Atomenergie | | (sekundäre Energieträger gibt es hier keine) |
Energie, Energieträger und Energieformen - Das Wichtigste
- Energie existiert in verschiedenen Formen, die auch ineinander umgewandelt werden können.
- Für die Umwandlung gilt der Energieerhaltungssatz: Energie kann nicht vernichtet oder erschaffen werden.
- Energie ist die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Arbeit zu verrichten, Wärme oder Strahlung abzugeben.
- Das Formelzeichen der Energie ist das E, ihre Einheit das Joule: .
- Potentielle Energie besitzt ein Körper mit Höhenlage über einem definierten Nullniveau. Ihre Formel lautet:
- Kinetische Energie besitzt ein sich bewegender Körper. Die Formel dieser Energieform lautet:
- Thermische Energie besitzen alle Körper mit einer absoluten Temperatur T>0K. Ihre Formel lautet:
- Elektrische Energie ist in einem elektrischen oder magnetischen Feld gespeichert. Ihre Formel lautet je nach Speicherart:
- Energie ist in Energieträgern gespeichert. Die Energie eines Energieträgers kann durch Energieumwandlung nutzbar gemacht werden.
- Primäre Energieträger können in der Natur gefunden werden. Es gibt regenerative Energieträger (Sonne, Wind, Wasser) und fossile Energieträger (Öl, Gas, Kohle). Auch die Atomenergie (Uran, Plutonium) zählt zu den primären Energien.
- Sekundäre Energieträger müssen zunächst aus einem primären Energieträger gewonnen werden. Dazu zählen z. B. Kraftstoffe, Biogas, Strom, Heizöl und Wasserstoff.
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