Mechanik: Dynamik

Energieformen

Im Alltag triffst du auf verschiedene Energieformen. Welche Energieformen es gibt und was du dir unter Energie vorstellen kannst, erfährst du in diesem Beitrag.

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Inhaltsübersicht

Energieformen einfach erklärt

Der Begriff der Energie ist untrennbar mit dem Begriff der Arbeit verbunden. In einfachen Worten ausgedrückt, gibt dir die Arbeit ein Maß für die Menge an „bestimmten Vorgängen“ an, die stattgefunden haben oder stattfinden werden. Die Energie gibt dir einen Hinweis darauf, welche Menge an „bestimmten Vorgängen“ stattfinden könnte.

Und was ist mit „bestimmten Vorgängen“ genau gemeint? Hierzu gibt es eine Vielzahl an Beispiele: Das Heben deiner Tasche, das Kicken eines Fußballs, Tanzen, Explosionen, chemische Reaktionen und viele mehr. Verschiedene Vorgänge sind mit verschiedenen Energieformen verbunden.

Merke: Gemeinsamkeiten der verschiedenen Energieformen

Unabhängig davon wie unterschiedlich die Vorgänge und dazugehörigen Energieformen sind, drei Gemeinsamkeiten haben sie alle:

(1) Alle Energieformen werden in der Einheit Joule gemessen,

(2) lassen sich alle Energieformen in zwei Kategorien unterteilen: Potentielle Energie und Kinetische Energie und

(3) es gilt die Energieerhaltung , wenn Energieformen ineinander umgewandelt werden.

5 verschiedene Energieformen

In diesem Abschnitt zeigen wir dir eine feine Unterteilung der Energieformen in fünf Kategorien. Später erklären wir dir, wie aus fünf, nur zwei Kategorien – die potentielle und kinetische Energie – entstehen können.

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Mechanische Energieformen

Die Energieformen, denen du wahrscheinlich als erstes begegnet bist, sind die mechanische Energieformen. Unter dieser Kategorie stecken die Energieformen Höhen- oder Lageenergie (auch potentielle Energie) und Bewegungsenergie (auch kinetische Energie). Schauen wir uns an, was sie beschreiben und welche Formeln es dazu gibt.

Höhen- oder Lageenergie

Der Name gibt dir bereits einen Hinweis, dass diese Energieform etwas mit der Position eines Objekts zu tun hat. Du kannst sie auch potentielle Energie nennen. Genauer geht es um die Position eines Objekts in einem Gravitationsfeld relativ zu einem willkürlich gewählten Punkt, den du als „Höhe Null“ bezeichnest. Nehmen wir an, dass der Boden, auf dem du gerade stehst, dieser besondere Punkt Null sein soll. Wenn du jetzt deine Tasche vom Boden aus auf die Höhe h hebst, dann steckt in dieser Tasche nun eine Höhen- oder Lageenergie von

E_{\mathsf{Lage}} = m \cdot g \cdot h.

Hier ist m die Masse deiner Tasche und g die Schwerebeschleunigung.

Bewegungsenergie

Die Bewegungsenergie ist die Energie, die in einem Objekt steckt, wenn es in Bewegung ist. Du kannst sie auch kinetische Energie bezeichnen. Die Bewegung von Objekten wird durch ihre Geschwindigkeit v beschrieben. Ähnlich zur Position bei der Höhenenergie, musst du dafür einen „Startpunkt“ wählen, den du als „Geschwindigkeit Null“ bezeichnest. Dein Freund fährt nun mit seinem Fahrrad mit einer Geschwindigkeit von v an dir vorbei. In ihm und im Fahrrad steckt dann eine Bewegungsenergie von

E_{\mathsf{kin}} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2.

Elektromagnetische Energieformen

Das Licht, das du zum Sehen, aber auch das WLAN-Signal, das du zum Surfen im Internet brauchst, sind Beispiele für elektromagnetische Wellen . Diese Wellen müssen auf irgendeiner Art und Weise mit der Umgebung (z. B. der Netzhaut deiner Augen) wechselwirken, damit Vorgänge (z. B. die Detektion und Weiterleitung des Lichts) stattfinden können. In den Wellen muss daher Energie stecken, ansonsten wären sie nicht in der Lage Arbeit zu verrichten. 

Diese Energie steckt in den elektrischen und magnetischen Feldern, aus denen elektromagnetische Wellen bestehen. Das elektrische Feld wird durch den elektrischen Feldvektor \vec{E} und das magnetische Feld durch den magnetischen Feldvektor \vec{B} beschrieben. Lass dich an dieser Stelle von der Vektorschreibweise nicht irritieren. Diese beiden Vektoren ordnen jedem Punkt im Raum einen Pfeil zu. Dieser Pfeil gibt an, in welcher Richtung das elektrische und magnetische Feld wirkt und wie stark. 

Diese Felder können Energie speichern. Bei diesen Energieformen wird nicht direkt von der Energie gesprochen, sondern von der Energie pro Volumen, eine Art Energiedichte. Für das elektrische Feld gilt

u_{\mathsf{el}} = \frac{1}{2} \cdot \epsilon_0 \cdot E^2

und für das magnetische Feld

u_{\mathsf{mag}} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{\mu_0} \cdot B^2.

Hier ist \epsilon_0 die Permittivität des Vakuums und \mu_0 die magnetische Feldkonstante. Beides sind mit einer Einheit behaftete Zahlen.

Thermische Energieformen

Zum Kochen von Wasser benötigst du Energie. Diesen Vorgang des Wasserkochens bringst du auf natürliche Weise mit dem Begriff der Temperatur zusammen: Das Wasser muss eine Temperatur von ca. 100°C erreichen, damit es zum Kochen beginnt. Die Temperatur ist eine Eigenschaft, die Objekte besitzen können. Eng mit der Temperatur verbunden, aber keine Eigenschaft, ist die Wärme. Die Energie, die deine Herdplatte in das Wasser steckt, ist Wärmeenergie

Die Wärmeenergie beschreibt die kinetische Energie der Atome und Moleküle aus denen das Objekt besteht. Wichtig ist, dass diese kinetische Energie nicht die Bewegung des Objekts als Ganzes berücksichtigt. Sie beschreibt nur die ungeordnete Bewegung der atomaren „Bausteine“.

Bezeichnen wir die Masse des Wassers mit m und die Änderung seiner Temperatur mit \Delta T, so ergibt sich die Wärmeenergie zu

E_{\mathsf{Wärme}} = c \cdot m \cdot \Delta T.

Hier ist c die Wärmekapazität des Wassers. 

Berücksichtigen wir zusätzlich zur kinetischen Energie der Atome und Moleküle noch ihre potentielle Energie, dann handelt es sich um die innere Energie .

Chemische Energieformen

Damit du ein Molekül in seine Bestandteile zerlegen kannst, musst du Arbeit aufwenden. Irgendwas hält also die Atome in einem Molekül zusammen. Dieses „irgendwas“ kann unterschiedliche Formen annehmen, die unter den Namen chemische Bindungsarten zu finden sind. Diese Bindungsarten beschreiben, wie es zu einer Bindung kommen kann, was die Moleküle aber zusammenhält, ist die chemische Energie. Die Energie kann bei chemischen Reaktionen freigesetzt werden.

Nukleare Energieformen

Zoomen wir über Moleküle hinaus ein wenig weiter in Materie hinein, so gelangen wir zum Atomkern . Atomkerne enthalten Neutronen und Protonen – zusammenfassend auch Nukleonen bezeichnet. Diese Nukleonen werden durch Kernkräfte zusammengehalten. Bei Vorgängen wie der Kernspaltung oder der Kernfusion wird eine Energiemenge freigesetzt (auch Kernenergie bezeichnet), die proportional zur sogenannten Bindungsenergie ist.

Energieformen Physik

In diesem Abschnitt zeigen wir dir, wie du alle genannten Energieformen in die zwei Kategorien potentielle und kinetische Energie unterteilen kannst. Zum Abschluss geben wir dir einen kurzen Einblick in das Thema der „Energieerzeugung“.

Energieformen in 2 Kategorien

Am Anfang hatten wir dir erklärt, dass die Energie ein Indikator dafür ist, was alles passieren kann. Und damit „etwas“ passieren kann, muss sich „etwas anderes“ von einem Ort zu einem anderen Ort bewegen. Wenn du zum Beispiel deine Tasche heben möchtest (das „etwas“), dann muss sich unter anderem die Tasche („etwas anderes“) vom Boden auf eine Höhe h bewegen. Ort wird mit potentieller Energie und Bewegung mit kinetischer Energie in Verbindung gebracht.

Die Kernenergie ist zum Beispiel die potentielle Energie zwischen Protonen und Neutronen. Die chemische Energie ist die potentielle Energie zwischen Atomen, zwischen Molekülen oder zwischen Atomen und Molekülen. Licht ist kinetische Energie, und thermische Energie ist die kinetische Energie der Atom- oder Molekülbewegung plus die potentielle Energie der Wechselwirkung zwischen den atomaren Bestandteilen.

Energieerhaltung und Energieumwandlung

Unabhängig davon, welche der Energieformen du nun betrachtest, sie alle unterliegen der Energieerhaltung. Wenn die Rede von „Energieerzeugung“ ist, dann bedeutet das nicht, dass Energie aus dem Nichts erzeugt wird.

Die elektrische Energie , die du zum Beispiel für das Laden deines Smartphones verwendest, wird durch eine Serie von Energieumwandlungen „erzeugt“. Am Anfang hattest du eine bestimmte Gesamtenergie. Wenn du nun alle Energieformen bei dieser Energieumwandlung bis zur elektrischen Energie berücksichtigst, dann erhältst du am Ende exakt die gleiche Zahl wie die Gesamtenergie am Anfang.

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