Energie: Grundbegriffe, Umwandlung und Quellen

Energie: Grundbegriffe und Umwandlung

Wir verwenden häufig das Wort Energie. Im späten neunzehnten Jahrhundert bestätigte die Wissenschaft dieses Konzept und gab ihm eine genauere Bedeutung. Viele Eigenschaften der Materie können verwendet werden, um verschiedene Arten von Energie zu beschreiben; einige verwandeln sich ineinander, andere können an bestimmten Stellen definiert werden.

Kinetische und potentielle Energie

Wenn ein Objekt in Bewegung ist, kann es mit einem anderen kollidieren und Veränderungen hervorrufen. Die kinetische Energie lässt sich mathematisch ausdrücken: E_c = 1/2 m v². Ein Objekt, das sich in einer gewissen Höhe befindet, kann fallen, sich bewegen und eine andere Bewegung erzeugen. Für die potentielle Energie schreiben wir: E_p = m g h.

Erhaltung der Energie

Bei jeder Umwandlung bleibt die Energie erhalten. Wenn ein Objekt aus einer Höhe fällt, verliert es potenzielle Energie; diese verschwindet nicht, sondern geht in eine andere Form über. Einige Formen der Energieerzeugung sind nützlicher als andere. Meerwasser enthält eine enorme Menge thermischer Energie, aber wir können sie nicht nutzen, weil sie so verteilt ist.

Arbeit und mechanische Energie

Wenn wir ein Objekt loslassen, zieht die Erde es aufgrund seiner Gewichtskraft an, wodurch es kinetische Energie gewinnt. Zur Messung der Veränderung der Energie verwenden wir den Begriff der mechanischen Arbeit. Die mechanische Arbeit wird berechnet als das Produkt der Kraft und der vom Körper in Richtung der Kraft zurückgelegten Strecke: W = F d. Ihre Einheit im Internationalen Einheitensystem ist das Joule.

Die mechanische Energie ist die Summe aus kinetischer und potentieller Energie, die ein Körper besitzt: E_m = E_c + E_p. Die mechanische Energie bleibt konstant, wenn die Umwandlung nur durch konservative Kräfte erfolgt (wenn also keine dissipativen Kräfte wie Reibung wirken). Die Erhaltung der mechanischen Energie ermöglicht es, Berechnungen zu vereinfachen, die sonst schwierig wären.

Temperatur, Wärme und Energieübertragung

Die Atome und Moleküle, aus denen Materie besteht, führen eine kontinuierliche thermische Bewegung aus, deren Ausmaß durch die Temperatur beschrieben wird. Wenn zwei Orte unterschiedliche Temperaturen haben, tritt ein Energieaustausch auf, der nur stoppt, wenn thermisches Gleichgewicht erreicht ist und beide die gleiche Temperatur haben. Wärme ist der Prozess der Übertragung thermischer Energie zwischen Orten in Kontakt. Früher verstand man unter Wärme die Menge an thermischer Energie, die übertragen wird.

Benjamin Thompson (Count Rumford) führte Experimente, die zeigten, dass Wärme durch mechanische Prozesse erzeugt werden kann. James Prescott Joule entwickelte ein Experiment, um diese Idee zu bestätigen und die Wärmemenge zu schätzen, die aus mechanischer Arbeit gewonnen werden kann. Wärme und Arbeit sind äquivalente Formen der Energieübertragung. Zu Ehren von Joule heißt die internationale Einheit der Energie Joule.

Energiequellen: fossile, erneuerbare und Kernenergie

Kohle und Öl haben sich über Millionen von Jahren auf der Erde gebildet. Sie erneuern sich nicht schnell genug; ihre Vorräte sind begrenzt. Man bezeichnet sie daher als fossile, nicht erneuerbare Energiequellen. Andere Quellen, wie Solar- und Windenergie, stehen hingegen ständig zur Verfügung und werden als erneuerbare Energien bezeichnet.

Als Primärenergie bezeichnet man Energiequellen, wie sie in der Natur vorkommen, bevor sie umgewandelt werden. Nach der Umwandlung spricht man von Energieträgern. Fossile Brennstoffe liefern derzeit etwa drei Viertel der weltweit verwendeten Primärenergie.

Bei der Kernenergie können bestimmte Stoffe einen Prozess der Kernspaltung durchlaufen, bei dem schwere Atomkerne in leichtere zerfallen. Zu den erneuerbaren Energiequellen zählen Wasserkraft, Windenergie, Photovoltaik und Solarthermie.

Auswirkungen auf Umwelt und Klima

Der massive Einsatz verschiedener Energiequellen und ihre Umwandlung verändern unsere natürliche Umwelt und führen zu globalen Veränderungen auf dem Planeten. Derzeit belastet die Verbrennung fossiler Brennstoffe Städte und setzt Gase in die Atmosphäre frei, die das Klima der Erde verändern.