Das Konzept der Energie

Einführung und Beispiele

Das Glas ist gefüllt mit 0,2l Wasser, doch wieviel Energie steckt in ihm?

Energiemenge eines Wassergefüllten Glases

• Es gibt verschiedene Energieträger (Energieformen):
  • warme Gegenstände: Entropie (thermische Energie)
  • zusammengedrückte oder auseinandergezogene Gegenstände: ??? (Spannenergie)
  • hochgehobene Gegenstände: Schwerefeld (Lageenergie)
  • sich bewegende Gegenstände: Impuls (Bewegungsenergie)
• Bei einigen Energieträgern ist die enthaltene Energiemenge vom Bezugssystem abhängig:
  • Schwerefeld (Lageenergie)
  • Impuls (Bewegungsenergie)

• Energie ist das Geld der Physik. Man bewertet damit Situationen.

Es ist alles andere als selbstverständlich, daß wirklich sämtliche Situationen vergleichbar und in einer Einheit auch bewertbar sind.

• Energie ist eine Erhaltungsgröße, sie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden. (Im Gegensatz zum Geld gibt es auch weder Inflation noch Deflation :)
• In der Regel ist die absolute Energiemenge eines Körpers uninteressant. Man interessiert sich viel mehr für die Energiemengen, die hinaus oder hineingehen.
• Die Veränderungen der Energiemenge kann man durch einen Energiestrom beschreiben, bei dem gleichzeitig auch der Energieträger strömt.
• Um eine gespeicherte Energiemenge zu bestimmen, muss man den heraus- oder hereinfließenden Energiestrom integrieren.
• Es ist (leider!?) auch üblich der gespeicherten Energie einen anderen Namen zu geben als der Energie, welche strömt. Man nennt die gespeicherte Energie eine Zustandsgröße, die strömende eine Prozessgröße.

Zustandsgröße	Prozessgröße
mechanische Energie	mechanische Arbeit
thermische Energie	Wärme

Mengenartige (extensive) Größen	haben zugehörige Eigenschaften (intensive Größen), welche man Potential nennt.
E: Energiemenge [math][E]=\mathrm{J \quad(Joule)}[/math]
S: Entropiemenge [math][S] = \mathrm{Ct \quad (Carnot)}[/math]	ν: absolute Temperatur [math][T] = \mathrm{K \quad (Kelvin)}[/math]
V: Volumen [math][V] = \mathrm{m^3}[/math]	p: Druck [math][p] = \mathrm{Pa \quad (Pascal) = 10^{-5}bar}[/math]
m: Masse [math][m] = \mathrm{kg}[/math]	gh: Schwerepotential [math][gh] = \mathrm{m^2/{s^2} }[/math]
p: Impuls [math][p] = \mathrm{Hy \quad (Huygens)= kg \frac{m}{s}} [/math]	v: Geschwindigkeit [math][v] = \mathrm{m/s} [/math]
Q: el. Ladung [math][Q] = \mathrm{C \quad (Coulomb)}[/math]	φel: el. Potential [math][\varphi_{el}] = \mathrm{V \quad (Volt)}[/math]
n: Stoffmenge [math][n] = \mathrm{mol}[/math]	μ: chem. Potential (freie molare Standardenthalpie) [math][\mu] = \mathrm{J/{mol} \quad (Joule/Mol)}[/math]

Berechnung der Energiemengen bei konstantem Beladungsmaß (Potential)

Bei einer Tafel Schokolade steht auf der Packung: Brennwert pro 100g: 2570 kJ.

Das bedeutet, dass ihr chemisches Potential [math]\varphi_{ch}=25700 \frac{kJ}{kg} [/math]beträgt.

Bei einer Masse von 200g ergibt sich:

[math]E= 0,2 kg \cdot 25700 \frac{kJ}{kg} = 5140 kJ \approx 5 MJ[/math]

Auch bei einer Atombombe ist das Beladungsmaß konstant, es gilt nämlich die berühmte Formel:

[math]E= m \, c^2[/math]

Das heißt, die Masse der Atomkerne ist der Energieträger und wenn diese sich bei der Kettenreaktion verkleinert, so speichern die Kerne weniger Energie.

Der Faktor [math]c^2[/math] gibt an, wie stark die Masse mit Energie beladen ist, nämlich mit [math]299792458[/math]bei der

• Atombombe