Was ist Energie?

Ein Joule hebt einen 100 g schweren Apfel etwa 1 m an; ein 1000 kg schweres Auto hat bei 90 km/h etwa 310 000 Joule Bewegungsenergie.

Energie ermöglicht Veränderungen

Ein rollender Ball, ein gespanntes Gummiband, eine warme Tasse Tee und ein geladener Handyakku haben etwas gemeinsam. Alle können etwas bewirken: etwas schieben, heben, erwärmen oder zum Leuchten bringen. In der Physik heißt diese Fähigkeit Energie. Gemessen wird sie in Joule (J). Die Einheit ist nach James Prescott Joule benannt. Er zeigte in den 1840er-Jahren, dass mechanische Arbeit und Wärme zwei Erscheinungsformen derselben Größe sind.

Ein Joule ist nicht viel. OpenStax veranschaulicht es so: Mit einem Joule lässt sich ein kleiner, 100 g schwerer Apfel etwa einen Meter anheben. Prüfe das mit der Formel, die du in Einheit 4 kennenlernst: 0.1 kg × 9.8 m/s² × 1 m = 0.98 J, also fast ein Joule. Bei Lebensmitteln verwendet man größere Einheiten. Eine Kilokalorie (kcal) entspricht 4186 J. Die empfohlene tägliche Nahrungsenergie für einen Erwachsenen beträgt etwa 1.2 × 10⁷ J, also zwölf Millionen Joule.

Viele Formen, eine Größe

Energie tritt in vielen Formen auf. Ihre Namen beschreiben, wo sie steckt. Alles, was sich bewegt, besitzt kinetische Energie. Beim Anheben gegen die Schwerkraft wird potenzielle Energie gespeichert, beim Verformen einer Feder oder eines Bogens elastische Energie. Brennstoffe, Nahrung und Batterien enthalten chemische Energie. Thermische Energie steckt in der ungeordneten Bewegung der Atome und Moleküle, die wir als Temperatur wahrnehmen. Elektrische Energie wird durch Leitungen übertragen, Strahlungsenergie breitet sich als Licht aus. Kernenergie wird frei, wenn Atomkerne gespalten werden oder verschmelzen.

Kinetische und potenzielle Energie zusammen heißen mechanische Energie. Auf einer Schaukel oder Achterbahn kannst du beide Formen direkt beobachten. Mit ihnen befasst sich dieser Kurs hauptsächlich. Die anderen Formen kommen ins Spiel, wenn Energie in nichtmechanische Formen übergeht, meist in Wärme.

Energie entsteht nicht und geht nicht verloren

Die wichtigste Eigenschaft der Energie: Ihre Gesamtmenge ändert sich nie. OpenStax formuliert den Energieerhaltungssatz so: Die Gesamtenergie bleibt bei jedem Vorgang konstant. Sie kann ihre Form ändern oder von einem System auf ein anderes übergehen, doch die Summe bleibt gleich. Wenn ein Auto bremst, verschwindet seine kinetische Energie nicht. Sie wird in thermische Energie der Bremsscheiben umgewandelt. Deshalb werden diese heiß. Beim Laden eines Handys wird elektrische Energie zu chemischer Energie im Akku und später zu Licht und Wärme am Bildschirm.

Wenn Energie erhalten bleibt, warum sprechen wir dann vom Energieverbrauch? Weil ihre Form entscheidend ist. Energie, die sich als Wärme in der Luft verteilt hat, ist weiterhin vorhanden. Sie lässt sich aber nur schwer wieder sammeln und nutzen. Ein Kohlekraftwerk wandelt nur etwa 40 Prozent der chemischen Energie des Brennstoffs in elektrische Energie um. Der Rest wird als Wärme abgegeben. Einheit 5 beschreibt das mit einer Größe namens Wirkungsgrad.

Wie viel ist ein Joule? Energiemengen im Vergleich

Die Tabelle stellt einige Energiemengen aus dem Alltag gegenüber. Die Werte stammen aus Tabelle 7.1 von OpenStax. Die Spannweite ist enorm: Eine fliegende Mücke hat etwa ein Millionstel Joule kinetische Energie; eine Gallone Benzin enthält etwa hundert Millionen Joule. Die wissenschaftliche Schreibweise macht solche Zahlen übersichtlich: 1.2 × 10⁸ bedeutet, dass 1.2 um acht Stellen verschoben wird, also 120 000 000.

Die Zeile zum Auto kannst du selbst nachrechnen. 90 km/h entsprechen 25 m/s. Die kinetische Energie beträgt ½ × 1000 × 25² = 312 500 J, gerundet 3.1 × 10⁵ J. Einheit 3 erklärt, woher diese Formel kommt.

Energie kann auch übertragen werden, ohne ihre Form zu ändern. Eine heiße Pfanne erwärmt durch Wärmeübertragung den Griff, eine Batterie überträgt Energie durch eine Leitung zu einer Lampe, und Sonnenlicht transportiert Energie durch den Weltraum zur Erde. In der Physik unterscheidet man zwei Begriffe: Bei einer Umwandlung ändert sich die Energieform, etwa von chemischer zu kinetischer Energie. Bei einer Übertragung gelangt Energie von einem Körper oder System zu einem anderen, entweder durch Arbeit (eine Kraft wirkt entlang eines Weges) oder durch Wärme (Energie fließt vom wärmeren zum kälteren Körper). Die nächste Einheit behandelt die Arbeit.