Energie ist lebensnotwendig. Menschen, Tiere und Pflanzen benötigen sie für ihre Entwicklung. Technische Geräte wie Radios, Kühlschränke, Fernsehgeräte oder Computer brauchen zum Betrieb Energie. Ohne Energie würde kein Zug fahren und kein Flugzeug fliegen. Trotzdem kann man Energie zumeist nicht sehen, fühlen oder anfassen. Man kann sie aber an ihren Wirkungen erkennen. Allgemein gilt in der Physik für die physikalische Größe Energie:
Energie ist die Fähigkeit,
mechanische Arbeit zu
verrichten, Wärme abzugeben
oder Licht auszustrahlen.
| Formelzeichen: Einheit: |
E ein Joule (1 J) |
Benannt ist die Einheit der Energie nach dem englischen
Physiker JAMES PRESCOTT JOULE (1818-1889).
Vielfache der Einheit ein Joule (1 J) sind
ein Kilojoule (1 kJ), ein Megajoule (1 MJ) und ein Gigajoule (1 GJ):
| 1 kJ 1 MJ 1 GJ |
= 1 000 J = 1 000 kJ = 1 000 000 J = 1 000 MJ = 1 000 000 kJ = 1 000 000 000 J |
Neben der Einheit 1 J werden für die Energie weitere Einheiten verwendet, teilweise nur in speziellen Bereichen der Energiewirtschaft:
| ein Newtonmeter (1 Nm) | 1 Nm = 1J | |
| eine Wattsekunde (1 Ws) | 1 Ws = 1 J | |
| eine Steinkohleneinheit
(1 SKE) |
1 SKE = 29,3 MJ (Das ist der Energieinhalt von 1 kg Steinkohle, der bei vollständiger Verbrennung frei wird.) |
|
| eine Rohöleinheit
(1 RÖE) |
1 RÖE = 41,9 MJ
(Das ist der Energieinhalt von 1 l Rohöl, der bei vollständiger Verbrennung frei wird.) |
Energie im Wandel
In einem abgeschlossenen Bereich (abgeschlossenen System) bleibt die Gesamtenergie
stets gleich groß, aber:
- Energie kann von einem Körper auf andere Körper übertragen (transportiert) werden,
- Energie kann von einer Form in andere Formen umgewandelt werden,
- Energie kann entwertet werden, d. h. in solche Formen umgewandelt werden, die für den Menschen nicht weiter nutzbar sind;
- Energie kann gespeichert werden.
Bei den vielfältigen Umwandlungen und Übertragungen
von Energie, die in Natur, Technik und Alltag vor sich gehen, bleibt die
Gesamtenergie immer gleich groß. Sie kann zwar in verschiedenen
Formen auftreten, bleibt aber insgesamt immer erhalten, auch wenn sie
sich räumlich anders verteilt. Für beliebige Vorgänge in
Natur, Technik und Alltag gilt das Gesetz
von der Erhaltung der Energie, kurz auch als Energieerhaltungssatz
oder allgemeiner Energieerhaltungssatz
bezeichnet. Er lautet:
In einem abgeschlossenen System ist die Summe
aller Energien konstant. Die Gesamtenergie bleibt erhalten.
Es gilt:
Unter einem abgeschlossenen
System versteht man einen ausgewählten Raumbereich, bei dem
kein Stoff- und Energieaustausch mit der Umgebung erfolgt. Welchen Raumbereich
man jeweils betrachtet, hängt von den gegebenen Bedingungen und von
den Zielen ab, die man verfolgt.
Historisches zum
Energieerhaltungssatz
Die ersten Ansätze zur Formulierung des Energieerhaltungssatzes liegen
in der Mechanik. Schon GALILEO GALILEI (1564-1642) war wohl von der Energieerhaltung
im mechanischen Bereich überzeugt.
Gestützt durch Arbeiten von LEIBNITZ, D. BERNOULLI, EULER und D'ALEMBERT
wurde in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts der Energieerhaltungssatz
der Mechanik formuliert. Er wurde aber nicht als allgemeines, auch
für andere Bereiche geltendes Prinzip erkannt.
Im ersten Drittel des 19. Jahrhunderts wurden zahlreiche Untersuchungen
zu Wärmekraftmaschinen durchgeführt.
Die festgestellten Zusammenhänge zwischen Wärme und Arbeit führten
schon nahe an den 1. Hauptsatz der Wärmelehre heran, den Energieerhaltungssatz
für thermische Prozesse.
Wesentlich erschwert wurde die Situation in der damaligen
Zeit durch die Bedeutungsvielfalt verschiedener Begriffe. So wurde z.
B. der Begriff "Kraft" nicht nur in dem Sinne genutzt, wie wir
heute diesen Begriff verwenden. Kraft war teilweise auch die Bezeichnung
für mechanische Energie und für Druck.
Die entscheidenden Schritte vollzogen vor allem drei Forscher zwischen
1842 und 1847:
- Der Heilbronner Arzt JULIUS
ROBERT MAYER (1814-1878) formulierte 1845 den allgemeinen Energierhaltungssatz.
- Der englische Physiker JAMES
PRESCOTT JOULE (1818-1889) bestimmte 1843 den Zusammenhang zwischen
der durch elektrischen Strom hervorgerufenen Wärme und der mechanischen
Arbeit, die zur Induktion des betreffenden Stromes aufgewandt werden
musste. Damit war das mechanische Wärmeäquivalent gefunden.
- Der deutsche Physiker HERMANN
VON HELMHOLTZ (1821-1894) formulierte in seiner 1847 erschienenen
Schrift "Über die Erhaltung der Kraft" den Energieerhaltungssatz
als allgemeingültiges Prinzip. Eine besonders klare und einfache,
auf HELMHOLTZ zurückgehende Formulierung lautet:
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie kann nur von einer Form in andere Formen umgewandelt oder von einem Körper auf andere Körper übertragen werden.
Spezialfälle
des Energieerhaltungssatzes
Der allgemeine Energieerhaltungssatz gilt ohne jede Einschränkung
für beliebige Vorgänge in abgeschlossenen Systemen. Dabei können
auch beliebige Energieformen auftreten.
Manchmal betrachtet man Vorgänge, bei denen nur bestimmte Energieformen
eine Rolle spielen, z. B. rein mechanische Vorgänge oder Vorgänge
in der Wärmelehre, bei denen nur die thermische Energie von Interesse
ist. Für solche speziellen Vorgänge oder Bereiche kann man Spezialfälle
des allgemeinen Energieerhaltungssatzes formulieren und anwenden.
Wichtige Spezialfälle sind:
- Energieerhaltungssatz der Mechanik, der angewendet werden kann, wenn rein mechanische Vorgänge vor sich gehen, bei denen nur die potenzielle und die kinetische Energie eine Rolle spielen,
- erster Hauptsatz der Wärmelehre, durch den der Zusammenhang zwischen der Änderung der thermischen (inneren) Energie, der Wärme und der mechanischen Arbeit erfasst wird,
-
lenzsches Gesetz als (indirekte) Aussage über die Energien bei der elektromagnetischen Induktion.