blikk info infothek forum galerie sitemap

Größen
Energieformen und -Umwandlungen -
Umrechnen und berechnen von Energie

anfang zurueck weiter ende nach oben
Überlandleitungen
für elektrische Energie
 
Gespeichertes Gas
einer Kokerei
 
Speicherung von
Sonnen-Energie
   
   
Aufzählung von Energieformen
   Energie gibt es in unterschiedlichen Formen, etwa als mechanische Energie (potentielle Energie, kinetische Energie, Schwingungsenergie, elastische Energie, Schallenergie, Wellenenergie), als Wärmeenergie (thermische Energie, innere Energie), als elektrische und magnetische Energie, als Strahlungsenergie, als chemische Energie sowie als nukleare Energie.
   
Energieträger
   Erschöpfliche Energieträger sind fossile Energieträger wie Kohle (Steinkohle, Braunkohle), Torf, Erdöl, Ölsande/Ölschiefer und Erdgas oder Kernbrennstoffe wie Uran (Kernspaltung), Plutonium (Kernspaltung) und Wasserstoff ( in Kernfusionsreaktoren).
Erneuerbare Energieträger sind Biomasse (chemische Energie), Geothermie (thermische Energie), Solarenergie (Strahlungsenergie), Wasserkraft (potentielle und kinetische Energie) und Wind (kinetische Energie).
     
Energie-Umwandlungen
in der newtonschen Physik

 Masse und Energie sind
für Newton und
für die newtonsche Mechanik
zwei unterschiedliche Konzepte,
die aufeinander aufbauen.
   Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von der einen Form in eine andere Energieform umgewandelt werden. In einem geschlossenen System gilt daher der Energieerhaltungssatz, der einer der am genauesten experimentell gesicherten Sätze der Physik ist.
Mechanische Energie kann z.B. in elektrische Energie umgeformt werden.

Die elektrische Energie wird in Kilowattstunden (kWh) gemessen.
1 kWh = 1000 Wh = 3.600.000 Ws = 3.600.000 J = 3.600 kJ = 3,6 MJ

Durch eine am System verrichtete Arbeit wird die Energie des Systems erhöht. Verrichtet das System selbst Arbeit, so wird seine Energie geringer. Die Arbeit verursacht hier also eine Zustandsänderung in Form einer Temperatur-, Form-, Lage- oder Geschwindigkeitsänderung.

In offenen Systemen hat die Energie Neigung, den zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig auszufüllen. Die dabei auftretenden und zu beobachtenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen zur Entropie, einer thermodynamischen Zustandsgröße mit dem gleichen Stellenwert wie die Energie.

Mehr dazu in Physikbüchern oder in Wikipedia:
Thema Energie
 
nach oben
Energie in der Relativitätstheorie

  Albert Einstein (1879 - 1955)
verlässt den Boden der newtonschen Mechanik.

1905 erschien seine Arbeit über die spezielle Relativitätstheorie.
1909 - 1913 wirkte Einstein als Professor für theoretische Pysik an den Universitäten Zürich, Prag und wieder Zürich.
1916 publizierte Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie.

Für Einstein sind Masse und Energie äquivalent. (Masse und Energie sind die zwei Seiten derselben Münze). Jede Energie, die ich einem Körper zuführe, erhöht seine Masse und umgekehrt. Selbst ein ruhender Körper enthält allein auf Grund seiner Masse Energie.
Energie und Masse sind ineinander umwandelbar:

Heute wird in der Physik der Buchstabe W (work) für Energie verwandt. Zur Zeit Einsteins war das aber noch nicht der Fall,
weshalb in seiner weltweit bekannten Formel immer noch der Buchstabe E verwendet wird. c ist die konstante Lichtgeschwindigkeit.
Einstein braucht also den Begriff der Kraft überhaupt nicht. Das hat aber auch zur Folge, dass der Begriff der Gravitation ebenfalls obsolet wird. Erneut stellt sich Frage: Warum und Wie fällt ein Körper auf die Erde? Physiker haben aber die Hoffnung, dass mit der Quantengravitation eine umfassende Weltformel (Theorie) gefunden wird, auf dessen Basis die Theorien (Relativitätstheorie und Quantentheorie) wieder miteinander korrespondieren können.
Eine gebremste Umwandlung von Masse in Energie findet in Atomkraftwerken und eine ungebremste in der Explosion einer Atombombe oder beim Durchbrennen eines Atiomreaktors statt. Die "freundliche" Kernfusion, in der ebenfalls Masse in Energie gewandelt wird, findet auf der Sonne statt. Diese Energie kommt uns auf der Erde in Form von Wärme und Licht (Photosynthese) zu Gute.
     
Atomkraftwerk: Umwandlung die Energie der Kernspaltung
 
Energie der ungebremsten Kernspaltung
  
Energieumwandlung durch Kernfusion (z.B. in der Sonne)
   
     
Berechnung zur "frei" werdenden Energie z.B. bei der Kernspaltung
 

Wird die Masse eines Urankerns etwa von U[92] zusammengesetzt aus z.B.
Br[35] + La[57] oder Kr[36] + Ba[56] oder Rb[37] + Cs[55], so ist jeweils die Masse von U[92] größer als die Massen-Summe der Einzelprodukte. Diesen Effekt nennt man Massendefekt Δm. Er kann nach Einstein in Energie umgerechnet werden:

ΔE = Δm · c²

Die Bindungsenergie, die im Urankern steckt, wird bei der Uranspaltung wieder "frei". Das ist bei einer Kettenreaktion im Uran-Kernreaktor und in der Uran-Atombombe der Fall. Bei der Kernspaltung werden daher ungeheure Energien "frei". Genauer: Die Bindungsenergien werden umgewandelt in Licht, Wärme und kinetische Ernergie (Deformierung).
In der Sonne entsteht aus Protonen und Neutronen Helium. Hier ist die Masse-Summe der Einzelprodukte größer als die Masse des Heliums. D.h. beim Aufbau von Helium in der Sonne wird dieser Massendefekt auf der Erde in Form von Licht sichtbar und in Form von Wärme spürbar.

Mehr dazu in Physikbüchern oder in Wikipedia:
Thema Bindungsenergie
     
 
     

Ideen für mögliche, selbstorganisierte
Übungen:

Beispielrechnungen:

W(pot) = 40kg · 9,81m/s² · 5m
= 1962kg·m·m/s² = 1962m²·kg/s²
= 1962 Nm = 1962 J
(Für m·kg gilt das Vertauschungsgesetz)

W(pot) = 1000kg · 9,81m/s² · 40m = 9810 kgm/s² · 40m
= 392400 Nm

  
  • Nehmen wir an, ihr wiegt 40 kg und ihr springt von einem 5 Meter-Brett ins Wasser. Welche potentielle Energie steckt dann in eurem Körper? (siehe: Beispielrechnung!)
  • Welche potentielle Energie steckt in einem Kubibmeter Wasser, das 40 m hochgepumpt worden ist. (vgl.: Beispielrechnung!)
  • Welche potentielle Energie steckt in einem Dachziegel oder gar in dem gesamten Dach? Rechnet und schätzt die Energie ab!
  • Welche potentielle Energie steckt in einem Flugzeug, das in 10.000 Meter Höhe fliegt? Schätzt die potentielle Energie ab!
  • Welche potentielle Energie steckt in der Raumstation oder in Sateliten, die die Erde umkreisen? Schätzt die potentielle Energie ab!
  • Lebensmittel sind Brennstoff für den menschlichen Körper. Stelle eine Tabelle mit Nährwerten in J zusammen.
  • ....

Beispielrechnung:

Zunächst rechnen wir die Geschwindigkeit in m/s um. 100km/h = 100.000m/h = 27,77m/s.
Das Auto besitzt also eine kinetische Energie von:
W(kin) = ½ · 1200kg · (27,77m/s)²
= 600 · 27,77² · m · m · kg / s²
= 462.703,74 Nm, da
1N = 1mkg/s²

  
  • Nehmen wir an, ein Auto von 1200kg fährt mit 100km/h. Welche kinetische Energie steckt in diesem Auto? (siehe: Beispielrechnung!)
  • Was geschieht mit der Bewegungsenergie eines Fahrrades beim Bremsen?
  • Welche kinetische Energie steckt in der Raumstation oder in einem Sateliten, die täglich einmal die Erde umkreisen? (Berechnet zuerst die Geschwindigkeit, mit der die Sateliten die Erde umkreisen.)
  • ....
  • Legt ggf. eine Excel-Tabelle an, in der für unterschiedliche Geschwindigkeiten die kinetischen Energien berechnet werden. Zeichnet ein Liniendiagramm.
nach oben