Energie

"Energie ist gespeicherte Arbeit."

Arbeit
Die physikalische Arbeit W ist das Produkt aus Kraftkomponente Fs in Wegrichtung und Weg s:
W = Fs·s
Einheit: Joule (J)
Arbeitsformen: Hubarbeit W = mgh, Beschleunigungsarbeit W = 1/2 m v2, Spannarbeit W = 1/2 D y2, Gleitreibungsarbeit W = μ FN s, etc.

Leistung
Die erbrachte Leistung P ist gleich der verrichteten Arbeit pro Zeit.
P = W/∆t
Einheit: Watt (W)

Die Kilowattstunde ist eine Energieeinheit: W = P·∆t
1 kWh = 3.6 MJ

Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad η (gr. eta) ist das Verhältnis von erbrachter Arbeit W2 oder abgegebener Leistung P2 zu aufgenommener Energie (W1) oder Leisung zu (P1).
η = W2/W1 = P2/P1
Der Wirkungsgrad liegt stets zwischen Null und Eins (0 und 100%).

Energie
Energie ist gespeichert Arbeit so wie ein Vermögen gespeichertes Einkommen ist. Die Zusammenhänge werden in folgender Analogie zwischen Physik und Buchhaltung deutlich:
Analogie
Physik Buchhaltung
Gesamtenergie Vermögen
Energieformen
  Lageenergie
  Bewegungsenergie
  chemische Energie
  etc.
 Konti
  Immobilienkonto
  Ferienkasse
  Golddepot
  etc.
Arbeit Bareinzahlungen
Wärme Giroüberweisungen
Gemeinsame Einheit:
Joule		 Gemeinsame Einheit:
Franken
Energie ist eine Grösse, mit der man bilanzieren kann. Nimmt der Betrag eines Energiekontos ab, muss ein anderes Konto entsprechend zunehmen.
Arbeit und Wärme sind Energie-Austauschformen.

Energieformen
Potenzielle Energie (Lageenergie)
Epot = m g h
(genauer: Epot = mgy ist die potentielle Gravitationsenergie eines Körpers im homogenen Schwerefeld bei der Höhenkoordinate y. Es gibt auch eine potentielle elektrische Energie.)
Die Lageenergie ist erst mit der Wahl eines Nullpunkts (h = 0) festgelegt.

Kinetische Energie (Bewegungsenergie)
Ekin = 1/2 m v2
Die Bewegungsenergie ist erst mit der Wahl eines Bezugssystems festgelegt.
(Genauer: 1/2 m v2 heisst Translationsenergie, weil sie mit der Verschiebung des Massenmittelpunktes einher geht. Eine andere Form der Bewegungsenergie wäre Rotationsenergie.)

Spannungsenergie (Federenergie)
EF = 1/2 D y2

Innere Energie U
Alle Energieformen, die im Innern eines Körpers oder Systems enthalten sind, z.B. chemische Energie, Kernenergie, Wärmeenergie, etc.

Die Liste ist nicht vollständig und die Zuordnung der Energieformen ist nicht immer eindeutig. So fehlt z.B. noch die Strahlungsenergie. Die Spannungsenergie kann als innere Energie der Feder betrachtet oder dem angehängten Körper als potenzielle Energie zugeschrieben werden.

Energiesatz
Die Gesamtenergie eines Systems ist die Summe aller Energieformen:
Eges = Epot + Ekin + U + ...
Hinter den Punkten verbirgt sich der Rest, den wir in der Aufzählung allenfalls vergessen haben.

Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems ist konstant!
Eges = const
Epot1 + Ekin1 + U1 + ... = Epot2 + Ekin2 + U2 + ...
Man führt nur jene Energieformen auf, die sich während des Vorgangs ändern.
Bei offenen Systemen muss man weitere Terme im Energiesatz anführen, die beschreiben, wie viel Energie die Systemgrenzen überquert: ΔE = W + ..

Beispiel: Ein Körper rutscht reibungsfrei eine schiefe Ebene hinab. Welche Schnelligkeit hat der Körper unten?
Epot1 + Ekin1 + U1 + ... = Epot2 + Ekin2 + U2 + ...
m g h1 + 0 + U1 = m g h2 + 1/2 m v2 + U1
v2 = 2 g (h1 - h2)

Energieverbrauch
Energie kann nicht verbraucht, sondern nur von günstigen in weniger günstige Formen umgewandelt werden, z.B. von elektrischer Energie in Abwärme.
Der jährliche Energieumsatz beträgt in der Schweiz ca. 1000 kWh an elektrischer Energie und ca. 5000 kWh an anderen Energieformen pro Kopf .


letzte Änderung: 31. Juli 2009 / Lie.
Revisionen: 26. Juli 2023 / Lie.

Zurück zur Startseite des Repetitoriums