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Energie

Klassische Mechanik, im klassischen Sinn Arbeitsvermögen physikalischer Systeme. Die Zufuhr oder Abgabe von Arbeit führt zu einer Änderung des Bewegungszustands der Systeme und/oder zur Änderung ihrer Lage in einem äusseren Kraftfeld, weshalb man bei mechanischen Systemen zwischen der kinetischen Energie oder Bewegungsenergie und der potentiellen Energie oder Lageenergie (Potential) unterscheidet. Gemäss der Klassifizierung physikalischer Systeme unterscheidet man mechanische Energie, elektrische Energie und magnetische Energie bzw. elektromagnetische Energie, thermodynamische Energie oder Wärmeenergie, Deformations- oder Formänderungsenergie und ferner noch verschiedene Formen der Bindungsenergie, wie chemische Energie und Kernenergie.

Die Energie gehört zu den fundamentalen Begriffen der gesamten Physik. Dies ist darin begründet, dass

1) alle Energieformen weitgehend ineinander umwandelbar und daher einander äquivalent sind,

2) bei dieser Umwandlung die Gesamtenergie, d.h. die Summe aller Energien eines abgeschlossenen Systems, konstant bleibt (Energiesatz),

3) nach der Speziellen Relativitätstheorie jeder Masse m eine Energie gemäss der Einsteinschen Gleichung E = mc2 äquivalent ist, wobei E das Energieäquivalent der Masse m und c die Lichtgeschwindigkeit ist, und

4) die Energie als Arbeitsvermögen physikalischer Systeme von überragender technischer und wirtschaftlicher Bedeutung ist.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik formuliert wesentliche Einschränkungen für die Umwandlung von Wärme in Arbeit. Daher wird Wärme als minderwertige Energie angesehen; man spricht deshalb von Energiedegradation, wenn z.B. mechanische Energie in Wärmeenergie überführt wird, und von Energiegradation, wenn z.B. Wärmeenergie in mechanische Energie überführt wird. Bei jeder Energieübertragung wird infolge von Reibung, ohmschen Widerständen oder Strahlungsverlusten ein gewisser Teil in Wärmeenergie umgewandelt; diesen Vorgang bezeichnet man als Dissipation. Die Energiedissipation kann in manchen Fällen durch geeignete Massnahmen, z.B. durch Schmieren beweglicher Maschinenteile, vermindert, jedoch nur unter ganz besonderen Umständen beseitigt werden (Supraleitfähigkeit, Supraflüssigkeit). Die statistische Mechanik deutet die Energiedissipation als Übergang von geordneter makroskopischer Bewegung in die ungeordnete mikroskopische Bewegung von Atomen und Molekülen.

Bei Systemen beliebig bewegter elektrischer Ladungen tritt zur kinetischen Energie der Ladungsträger die im elektrischen (elektrische Energie) und magnetischen Feld (magnetische Energiedichte) dieser Ladungen gespeicherte elektromagnetische Feldenergie hinzu. Infolge Induktion kann elektrische Energie in magnetische Energie umgesetzt werden und umgekehrt.

Die elektromagnetische, besonders die elektrische Energie spielt beim Aufbau der Natur eine wesentliche Rolle, da sich fast alle ihre Bausteine, die Elementarteilchen, als elektrisch geladen erweisen. So ist der Aufbau der Atome im wesentlichen eine Folge der elektromagnetischen Wechselwirkung der negativ geladenen Elektronen mit dem positiv geladenen Atomkern; auch die chemische Bindung beruht auf ihr. Die Energien der chemischen Bindung bestimmen die bei exothermen chemischen Reaktionen frei werdende und bei endothermen Reaktionen aufgenommene chemische Energie; diese kann z.B. im Akkumulator gespeichert und dann als elektrische Energie wieder abgegeben werden. Neben dieser chemischen Bindungsenergie ist die Bindungsenergie der Kerne zu nennen, die allerdings nichts mit der elektromagnetischen Wechselwirkung zu tun hat, sondern auf die starke Wechselwirkung zwischen den Kernbausteinen zurückzuführen ist.

Die Energie eines physikalischen Systems ist von der Wahl des Bezugssystems abhängig. In der Speziellen Relativitätstheorie bilden Energie und Impuls eines Systems einen Vierervektor (Energie-Impuls-Tensor).

SI-Einheit der Energie (wie der Arbeit) ist das Joule (J). Wegen der Verschiedenartigkeit der Energieformen und der unterschiedlichen Wertebereiche der frei werdenden Energiebeträge haben sich verschiedene Einheiten herausgebildet, die einander äquivalent sind. So gibt man die mechanische Energie häufig in Newtonmetern (N × m) an, Wärmeenergie und chemische Energie im allgemeinen in der SI-Einheit Joule (J), elektrische und magnetische Energie in Wattsekunden (W × s), die Bindungsenergie der atomaren und inneratomaren Wechselwirkungen in Elektronenvolt (eV). Es gilt: 1 J = 1 N × m = 1 W × s (Tabelle).Geschichtliches: Die physikalische Bedeutung des Energiebegriffes wurde erst im 19. Jh. nach der Entdeckung und Formulierung des Energiesatzes durch R. Mayer, Joule und Helmholtz (1842-1847) offenbar, besonders als erkannt wurde, dass dieser Begriff alle Bereiche der Physik umfasst. Die klare Definition der Energie wurde erst seit dieser Zeit herausgearbeitet. Vorher nannte Leibniz (1686) die Grösse 2T = mv2 lebendige Kraft, die Potentialfunktion V wurde 1773 von Lagrange eingeführt, der Begriff der Arbeit erst 1829 von Coriolis und Poncelet. (elastische Energie, elektrostatische Energie)

Energie: Umrechnungen von Energieeinheiten und Energieäquivalenten

 

J

erg

mkp

cal

eV

T [K]

kcal / mol

n [Hz]

l [m]

m [amu]

1 J

1

107

0,1020

0,2389

6,242 × 1018

7,244 × 1022

1,439 × 1020

1,509 × 1033

1,986 × 10-25

6,701 × 109

1 erg

10-7

1

1,020 × 10-8

2,389 × 10-8

6,242 × 1011

7,244 × 1015

1,439 × 1013

1,509 × 1026

1,986 × 10-18

6,701 × 102

1 mkp

9,807

9,807 × 107

1

2,343

6,121 × 1019

7,103 × 1023

1,411 × 1021

1,480 × 1034

2,025 × 10-26

6,571 × 1010

1 cal

4,186

4,186 × 107

0,4269

1

2,613 × 1019

3,032 × 1023

6,023 × 1020

6,318 × 1033

4,745 × 10-26

2,805 × 1010

1 eV

1,602 × 10-19

1,602 × 10-12

1,634 × 10-20

3,827 × 10-20

1

11600

23,05

2,418 × 1014

1,240 × 10-6

1,073 × 10-9

T [1 K]

1,381 × 10-23

1,381 × 10-16

1,408 × 10-24

3,298 × 10-24

8,617 × 10-5

1

1,986 × 10-3

2,084 × 1010

0,0149

9,250 × 10-14

1 kcal/mol

6,951 × 10-21

6,951 × 10-14

7,088 × 10-22

1,660 × 10-21

0,0434

503,47

1

1,049 × 1013

2,858 × 10-5

4,657 × 10-11

n [1 Hz]

6,626 × 10-34

6,626 × 10-27

6,756 × 10-35

1,583 × 10-34

4,136 × 10-15

4,799 × 10-11

9,532 × 10-14

1

2,998 × 10-8

4,440 × 10-24

l [1 m]

1,986 × 10-25

1,986 × 10-18

2,025 × 10-26

4,475 × 10-26

1,240 × 10-6

0,0149

2,858 × 10-5

2,998 × 108

1

1,331 × 10-15

m [1 amu]

1,492 × 10-10

1,492 × 10-3

1,522 × 10-11

3,565 × 10-11

9,315 × 108

1,018 × 1013

2,147 × 1010

2,252 × 1023

1,331 × 10-15

1

 

 

 

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