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Energie verstehen: Kleiner Einstieg in die Physik
basisEnergie Nr. 15
 

Die ursprüngliche Energiequelle für die Wasserkraft ist eingestrahlte Sonnenenergie, die durch Verdunstung von Oberflächenwasser den globalen Wasserkreislauf in Gang hält. Die kinetische und potenzielle Energie von Wasser kann in Wasserkraftwerken in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Was ist Energie?

Mit Energie gehen wir täglich um. Energie wird „erzeugt“, umgewandelt, transportiert, gespeichert und „verbraucht“. Ohne Energie geht in unserem Alltag nichts. Aber wissen wir so genau, was Energie eigentlich ist?

Menschen nutzen Energie in vielfältiger Weise, für warme Wohnungen und helle Räume oder den Transport und die Produktion von Gütern. Jede Aktivität ist mit dem Umsatz von Energie verbunden. Die verschiedenen Erscheinungsformen von Energie sind uns daher aus dem Alltag wohl vertraut: Die Wärme des Feuers, das Licht der Sonne, die Bewegung des Windes. Dabei kann man „Energie“ selbst nicht sehen, hören, schmecken, riechen oder fühlen. Wenn wir einen Blitz sehen oder in der Sauna schwitzen, dann erleben wir Energie. Das, was hinter diesen verschiedenen Erscheinungsformen steckt, nennen wir Energie. Aber was ist nun Energie?

Für die Physik ist „Energie“ einer ihrer zentralen Begriffe. Physikalisch betrachtet ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Wenn ein Auto durch einen Motor angetrieben wird, dann wird mechanische Arbeit verrichtet. Die Arbeit leistet ein Verbrennungsmotor. Im Zylinder wird ein Benzin- Luftgemisch verbrannt. Die dabei entstehenden Abgase haben ein größeres Volumen. Der Druck steigt und kann in Bewegungsenergie umgesetzt werden. Chemische Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt.

Bild 1 - BasisEnergie15 2003 01 a: Die ursprüngliche Energiequelle für die Wasserkraft ist eingestrahlte Sonnenenergie, die durch Verdunstung von Oberflächenwasser den globalen Wasserkreislauf in Gang hält. Die kinetische und potenzielle Energie von Wasser kann in Wasserkraftwerken in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Bild 2 - BasisEnergie15 2003 15: Die Entropie strebt in einem abgeschlossenen physikalischen System einem Maximum zu. Der Endzustand ist mit dem Zerfallen jeglicher Strukturen und einer Angleichung aller Temperaturen gleichbedeutend. Auf das Weltall übertragen – wenn man das Weltall als abgeschlossenes System ansieht – spricht man daher vom "Wärmetod des Weltalls". Da sich die niedrigste Temperatur einstellen würde, müsste man eher vom Kältetod sprechen.
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Bild 3 - BasisEnergie15 2003 02: Energie kommt in verschiedenen Erscheinungsformen vor.
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Bild 4 - BasisEnergie15 2003 03: Mit Solarzellen aus Halbleitermaterialien wird Sonnenlicht (Photonen) in elektrischen Strom umgewandelt. Solarmodule werden im Reinraum produziert.
Copyright: Solar World, Bonn
Bild 5 - BasisEnergie15 2003 04: Wind ist Sonnenenergie. Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche und die darüber liegenden Luftmassen. Über stark erwärmten Regionen steigt die Luft auf und es entstehen Tiefdruckgebiete, während Hochdruckgebiete sich in kühleren Regionen bilden. Luft strömt von Hoch- zu Tiefdruckgebieten – es entsteht Wind.
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Bild 6 - BasisEnergie15 2003 05: Biomasse – pure Energie.
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Bild 7 - BasisEnergie15 2003 06: Pumpspeicherwerk: Lageenergie wird zur zwischenzeitlichen Speicherung überschüssiger Energie genutzt.
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Bild 8 - BasisEnergie15 2003 07: Wasser ist das bevorzugte Wärmespeichermedium: Es ist ungiftig, chemisch stabil und hat eine vergleichsweise große Wärmekapazität. Warmwasserspeicher benötigen eine gute Wärmedämmung.
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Bild 9 - BasisEnergie15 2003 08: Wenn Eis soweit erhitzt wird, dass daraus Wasserdampf wird, so werden nur 14 Prozent der benötigten Energie als sensible Wärme aber 76 Prozent als latente Wärme gespeichert.
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Bild 10 - BasisEnergie15 2003 08a: Glossar
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Bild 11 - BasisEnergie15 2003 09: Nur 2-3 Prozent der ursprünglich eingesetzten Primärenergie werden bei der klassischen Glühbirne als Licht genutzt. Die Energiesparlampe hat bei gleicher elektrischer Leistung eine um den Faktor 5 höhere Lichtausbeute. * Moderne GuD-Kraftwerke haben Wirkungsgrade von über 50 Prozent.
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Bild 12 - BasisEnergie15 2003 10: Endenergie ist direkt nutzbare Energie wie Benzin oder Strom. Endenergie wird durch Umwandlung von Primärenergie bereitgestellt – aus Erdöl wird Benzin gewonnen, mit Kohle wird Strom erzeugt.
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Bild 13 - BasisEnergie15 2003 11: Wärmeverluste eines freistehenden Einfamilienhauses (Baujahr vor 1984).
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Bild 14 - BasisEnergie15 2003 12: Wärmeverluste durch die Gebäudehülle lassen sich durch einen optimierte Wärmedämmung vermindern. Thermografie einer Fensterfront: je heller die Fläche, umso größer die Wärmeverluste.
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Bild 15 - BasisEnergie15 2003 13: Wesentliche Schritte zu einem energiesparenden Altbau.
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Bild 16 - BasisEnergie15 2003 14: Entropie ist aus statistischer Perspektive ein Maß für die Unordnung. Zwei Kolben mit zwei unterschiedlichen Gasen sind durch ein Rohr verbunden. Wenn das Ventil geöffnet wird, mischen sich die Gase. Die vollständige Entmischung ist nicht möglich (konnte noch nicht beobachtet werden). Den Prozess nennt man deswegen auch irreversibel (= nicht umkehrbar).
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Die Energieformen sind zumindest zum Teil ineinander überführbar: Aus chemischer Energie wird im Verbrennungsmotor Bewegungsenergie, aus Sonnenlicht wird in der Photovoltaikanlage elektrischer Strom. Energie kann von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden, sie kann gespeichert und transportiert werden. Und dennoch ist sie kein Stoff. Als Wärme ist die Energie die ungeordnete Bewegung molekularer Teilchen, als elektrischer Strom die gerichtete Bewegung geladener Teilchen, als Strahlung elektromagnetische Wellen. Man kann Energie weder erzeugen noch verbrauchen, nur eine Energieform in eine andere überführen. In der Summe bleibt die Energiemenge gleich.

Genauer betrachtet ist das, was wir „Energieverbrauch“ nennen, die Entwertung von Energie. Der Nutzwert der Energie kann durch Umwandlung und Transport abnehmen. Die im Erdgas gebundene chemische Energie wird beim Verbrennen in Wärme für die Beheizung eines Hauses umgesetzt. Wenn Wärme an die Umgebung abgegeben ist, ist sie nicht mehr nützlich, sie ist entwertet – wir sagen „verbraucht“.