Energie und Energieumwandlung

Was ist eigentlich Energie?

Energie ist allgegenwärtig. Jeder spricht von ihr und meint zu wissen, was sie ist. Menschen können voll von Energie sein. Politiker sprechen von der Energiewende. Jeder braucht sie: beim Autofahren oder Zugfahren, beim Heizen, beim Liftfahren, beim Erhellen der Räume mit Lampen oder beim Kochen. Wir handeln mit ihr oder „verbrauchen“ sie. Ohne Energie gäbe es kein Leben.

Feuer Energie meinstein.ch

Aber was eigentlich ist Energie? Und woher kommt sie?

Diese physikalische Grösse spielt in allen Teilgebieten der Physik, Technik, Chemie, Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle.

Das Wort Energie kommt aus dem Griechischen (ergon) und bedeutet das Wirken. Hier wird erst deutlich: wirklich sehen können wir Energie nicht. Wir bemerken ihre Wirkungen.

zug energie meinstein.ch

Gemessen wird die Energie in Joule. Sie wird beschrieben als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Ein Körper, der arbeiten, wärmen, leuchten kann, besitzt Energie. Für viel Arbeit, viel Wärme oder viel Licht ist auch viel Energie nötig.

Woher aber kommt sie, diese rätselhafte, aber allgegenwärtige Energie? Im Keim des Urknalls steckte sie. Alle Energie des Weltalls war dort drin verborgen.

Welche Energieformen gibt es?

Kinetische Energie_

Kinetische Energie entsteht dann, wenn sich Masse bewegt. Ein fallender Stein hat die Energie, ein Hausdach zu durchschlagen. Ein Bach oder ein Fluss kann ein Wasserrad oder eine Turbine antreiben, Wind treibt Windmühlen an.

windkraftwerk meinstein.ch

Die Formel für die kinetische Energie lautet: Ekin = 0,5 · m · v2

Potenzielle Energie_

Potenziell in potenzieller Energie heisst, dass in einer Masse Energie als Möglichkeit drinsteckt. Sie wird auch als Lageenergie bezeichnet. Je höher ein Gegenstand (eine Masse) sich befindet, desto mehr von dieser “möglichen” Energie steckt im Gegenstand, da er beim Herunterfallen oder Herunterfahren diese Energie ja in Kinetische Energie umwandeln kann.

achterbahn meinstein.ch

Ein Spiel zwischen potentieller und Kinetischer Energie findet man in Achterbahnen. Der Wagen wird hochgeschleppt. Danach findet eine ständige Umwandlung von potentieller in kinetische und umgekehrt statt.

Die Formel für potentielle Energie lautet: Epot = · g · h

Strahlungsenergie

Die Sonne ist eine mächtige Energiequelle. Sie hat ihre Energie aus dem Anfang des Weltalls bekommen, also vom Keim des Urknalls. Die Strahlung, welche von der Sonne auf die Erde kommt, würde ausreichen, um alle unsere Energiebedürfnisse komplett zu decken. Das Problem dabei ist nur, diese Energie ganz und verlustfrei einzufangen.

sonne meinstein.ch

In der Natur bewirkt die Sonne, dass der Kreislauf des Wassers angetrieben wird, dass es regnet und die Felder und Wälder fruchtbar macht. Weiter lässt es die Pflanzen Fotosynthese betreiben, lässt sie Zucker, Stärke und Holz aufbauen, welche wiederum zu Energieträgern werden.

Technisch lässt sich die Sonnenenergie mit Solarzellen zu Strom (Photovoltaik), mit schwarzen Schläuchen zu heissem Wasser (Solarthermie) oder mit Spiegelkraftwerken einfangen und in andere Energieformen umformen.

solar meinstein.ch  spiegelkraft meinstein.ch

Chemische Energie

In den verschiedensten Stoffen ist Energie gespeichert.

Thermische Energie_

Sie wird auch Wärmeenergie genannt. Nicht zu verwechseln mit der Wärme. Wärmeenergie kommt von den sich bewegenden Atomen und Molekülen eines Stoffes. Die Brownsche Bewegung beispielsweise kann in der Milch im Mikroskop beobachtet werden.

Elektrische Energie_

Es ist die Energieform, die mittels Elektrizität übertragen oder in elektrischen Feldern gespeichert wird. Wenn diese Energieform  in andere Energieformen umgewandelt wird, spricht man von elektrischer Arbeit (W).

Kernenergie

Die Kernenergie ist die Energieform, die im inneren von Atomen gespeichert ist und bei der Kernspaltung oder Kernfusion (das Gegenteil von Spaltung: Vereinigung) herauskommt.

Zusammenfassung

Kinetische
Energie_
Potenzielle
Energie_
Strahlungs-
Energie_
Chemische
Energie_
Thermische
Energie_
Elektrische
Energie_
Kern-
energie
Fliessendes Wasser, Wind

Wasserkraft
Windkraftwerk

Gestautes
WasserPumpspeicher
Kraftwerk
Sonnen-strahlung

Photovoltaik
Sonnen-kollektor

Holz, Erdöl, Nahrung

Holzheizung
Ölheizung
Biogas
Batterie

Verbrennungs-Wärme

Heizkessel

Blitz,
StromElektromotor
Generator
Batterie
Atomkern
Kernkraft-werk
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Energieumwandlung

Energie kann weder erschaffen noch vernichtet werden. Sie kann nur umgewandelt werden.

Das Feuer ist wohl die erste Energieumwandlung, die sich der Mensch zu Nutzen gemacht hat. Das im Holz gespeicherte Sonnenlicht wird frei, wenn wir es entzünden.

Als erstes wandelten Menschen die Energie des fliessenden Wassers in Bewegung (kinetische Energie) in Windmühlen oder Wassermühlen um. Das Wasser trieb Räder an, welche dann Arbeit verrichten konnten (Mehl mahlen, Holz sägen etc.).

Die wohl bedeutendste Energieumwandlung in der Geschichte war die Umwandlung von Wärmeenergie in Bewegungsenergie, dies zum Beispiel in der Dampfmaschine, dann im Verbrennungsmotor oder in den Dampfturbinen in Kraftwerken.

dampfmaschine meinstein.ch

Wie funktioniert eine Dampfmaschine?

Wasser wird in einem Behälter erhitzt.

 

 

 

Links

Energiestrategie 2050

Sonnenenergie (Energieblog von energieheld)