Energieformen, Energieumwandlung, Energieerhaltung und Energieentwertung
Ein Radfahrer rollt einen Berg hinunter, ohne zu treten. Unten bremst er, und die Bremsen werden warm. Abends lädst du dein Handy: Strom fließt, der Akku füllt sich, und später leuchtet damit das Display. Morgens isst du ein Brötchen, damit du bis mittags Kraft hast.
In allen drei Fällen geht es um Energie. Sie steckt in einem Körper, wandert weiter und wechselt dabei ihre Form. Du lernst die wichtigsten Formen der Energie kennen und wie man Umwandlungen beschreibt. Du lernst auch die wichtigste Regel: Energie geht nie verloren. Und du erfährst, warum man trotzdem von Energiesparen spricht.
Energie und die Einheit Joule
Energie gibt an, was ein Körper oder ein System bewirken kann: etwas heben, bewegen, erwärmen oder zum Leuchten bringen. Je mehr Energie, desto mehr kann bewirkt werden. Man sieht Energie nicht direkt, nur ihre Wirkung. Das Zeichen ist .
Die Einheit der Energie ist das Joule, Zeichen J. Ein Joule ist wenig: Ungefähr so viel Energie brauchst du, um eine Tafel Schokolade (100 g) 1 m hochzuheben. Für größere Werte nutzt man das Kilojoule: 1 kJ = 1000 J, denn „Kilo“ heißt tausend, wie bei km und kg. Eine Tafel Schokolade enthält etwa 2300 kJ chemische Energie. Ein Mensch braucht am Tag je nach Alter und Tätigkeit etwa 8000 bis 10000 kJ.
Energieformen
Energie kommt in verschiedenen Formen vor. Du erkennst sie an dem, was sie bewirken.
| Energieform | Beispiele | Woran man sie merkt |
|---|---|---|
| Lageenergie | Wasser im Stausee, Ziegel auf dem Dach | Der Körper kann fallen und dabei etwas bewegen. |
| Bewegungsenergie | fahrendes Auto, Wind, fließendes Wasser | Beim Aufprall verformt der Körper andere Körper. |
| Spannenergie | gespannte Feder, gespannter Bogen | Beim Loslassen schnellt etwas los. |
| thermische Energie | heißer Tee, ein warmer Ofen | Der Körper erwärmt kältere Körper. |
| elektrische Energie | Strom in einer Leitung | Sie treibt Motoren und Lampen an. |
| chemische Energie | Nahrung, Benzin, Holz, Batterie | Sie wird beim Verbrennen oder bei einer Reaktion frei. |
| Strahlungsenergie | Sonnenlicht, Licht einer Lampe | Sie erwärmt Körper, die sie aufnehmen. |
Thermische Energie ist die Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers (Teilchenmodell). In heißem Tee bewegen sich die Teilchen schneller als in kaltem.
Energieumwandlung, Energieübertragung und Übertragungskette
Energie ändert sich auf zwei Weisen.
- Bei einer Energieumwandlung wechselt die Energie ihre Form. Ein Stein fällt: Seine Lageenergie wird zu Bewegungsenergie.
- Bei einer Energieübertragung wandert die Energie von einem Körper zum anderen. Eine Billardkugel stößt eine zweite an und gibt ihr Bewegungsenergie. Auch heißes Wasser überträgt thermische Energie auf einen Topf.
Oft folgen mehrere Schritte aufeinander. Man schreibt sie als Energieübertragungskette: Pfeile verbinden die Körper und die Energieformen in der Reihenfolge, in der die Energie weitergegeben wird.
Fahrrad mit Dynamolicht
Fahrrad mit Dynamolicht
Du fährst Fahrrad mit Dynamo, und die Lampe leuchtet. Beschreibe die Energieübertragungskette vom Frühstück bis zum Licht.
Nahrung (chemische Energie) → Muskeln und Fahrrad (Bewegungsenergie) → Dynamo (elektrische Energie) → Lampe (Strahlungsenergie, also Licht).
Bei jedem Schritt entsteht auch thermische Energie: Du schwitzt, der Dynamo wird warm, die Lampe wird heiß. Diese Wärme geht in die Umgebung. Du nutzt sie nicht.
Energieerhaltung
Alle Messungen zeigen dasselbe: Vor und nach einem Vorgang ist die Energie insgesamt gleich groß, wenn man alle Energieformen und alle beteiligten Körper mitzählt. Das ist der Energieerhaltungssatz: Energie wird weder erzeugt noch vernichtet. Sie wird nur umgewandelt und übertragen. Die Summe bleibt gleich.
Darum ist „Energie verbrauchen“ ein ungenauer Ausdruck. Wenn ein Auto bremst, ist seine Bewegungsenergie nicht weg. Sie steckt nun als thermische Energie in Bremsen, Reifen und Luft.
Energieflussdiagramm
Ein Energieflussdiagramm zeichnet die Energieerhaltung. Links kommt ein breiter Pfeil an: die zugeführte Energie. Er teilt sich in zwei Pfeile. Der eine gehört zur Nutzenergie, das ist die Energie, die man haben will, zum Beispiel das Licht einer Lampe. Der andere gehört zum Rest, den man nicht nutzen will, meist Wärme. Die Breite jedes Pfeils entspricht der Energiemenge. Die beiden Pfeile rechts sind zusammen so breit wie der Pfeil links.
Zwei Lampen im Vergleich
Zwei Lampen im Vergleich
Eine Glühlampe nimmt 100 J elektrische Energie auf und gibt 5 J als Licht ab. Eine LED-Lampe gibt dasselbe Licht ab, nimmt aber nur 20 J auf. Die Werte sind angenommen. Wie viel Energie wird jeweils zu Wärme? Wie sieht das Diagramm der Glühlampe aus?
Nach der Energieerhaltung gilt: zugeführte Energie = Nutzenergie + Wärme.
Glühlampe: 100 J − 5 J = 95 J Wärme. LED-Lampe: 20 J − 5 J = 15 J Wärme.
Im Diagramm der Glühlampe kommt links ein Pfeil mit 100 J an. Rechts gehen zwei Pfeile ab: ein sehr schmaler mit 5 J (Licht) und ein sehr breiter mit 95 J (Wärme). Bei der LED-Lampe ist der Pfeil links viel schmaler, er hat nur 20 J. Für dasselbe Licht braucht sie weniger Energie.
Energieentwertung
Wird Energie zu Wärme, die sich in der Umgebung verteilt, ist sie nicht weg, aber kaum noch zu gebrauchen. Die Wärme der Bremsen verteilt sich auf Luft und Straße. Damit bringst du das Auto nicht wieder in Fahrt. Von selbst fließt Wärme nur vom wärmeren zum kälteren Körper.
Man nennt das Energieentwertung: Die Energiemenge bleibt gleich, ihre Nutzbarkeit sinkt. Mit „Energie sparen“ ist deshalb gemeint, weniger Energie in Wärme zu verwandeln, die man nicht braucht, zum Beispiel mit einer LED-Lampe statt einer Glühlampe.
Energie wird verbraucht oder erzeugt
Energie wird verbraucht oder erzeugt
„Die Batterie ist leer, also ist ihre Energie weg.“ Oder: „Ein Kraftwerk erzeugt Energie.“
Energie geht nicht verloren und entsteht nicht neu. Die Batterie hat ihre chemische Energie abgegeben, an die Lampe und dann als Wärme an die Umgebung. Ein Kraftwerk wandelt Energie um, zum Beispiel chemische Energie der Kohle in elektrische. Mit „Verbrauch“ meint man: Die Energie ist in eine Form gewandert, die man nicht mehr nutzen kann.
Der Wärme-Pfeil ist verschwundene Energie
Der Wärme-Pfeil ist verschwundene Energie
„Im Diagramm der Lampe ist der Pfeil für die Wärme die Energie, die verloren gegangen ist.“
Auch die Wärme ist Energie. Sie ist nicht weg, sondern in der Umgebung verteilt. „Verlust“ heißt nur: nicht mehr nutzbar. Die Summe stimmt genau: 100 J = 5 J + 95 J.
Zusammenfassung
Energie gibt an, was ein Körper bewirken kann. Ihre Einheit ist das Joule (J). 1 kJ sind 1000 J.
Formen der Energie sind Lage-, Bewegungs-, Spann-, thermische, elektrische, chemische und Strahlungsenergie.
Bei einer Umwandlung wechselt die Energie die Form, bei einer Übertragung wandert sie zu einem anderen Körper. Eine Energieübertragungskette zeigt die Schritte.
Energieerhaltung: Energie wird nicht erzeugt und nicht vernichtet. Die Summe bleibt gleich.
Ein Energieflussdiagramm zeigt zugeführte Energie, Nutzenergie und Wärme. Die Pfeile rechts sind zusammen so breit wie der Pfeil links.
Energieentwertung: Als Wärme in der Umgebung ist Energie kaum noch nutzbar. Energiesparen heißt, weniger davon zu entwerten.
Übungen
Wasser in einem hoch gelegenen Stausee hat vor allem welche Energieform?
Eine Lampe nimmt 60 J elektrische Energie auf und gibt 12 J als Licht ab. Der Rest wird zu Wärme. Wie viel Wärme entsteht, in Joule?
Ein Müsliriegel enthält 600 kJ chemische Energie. Wie viel Joule sind das? Schreibe die Zahl ohne Punkt.
Ein Auto bremst bis zum Stillstand. Was geschieht mit seiner Bewegungsenergie?
Eine Taschenlampe mit Batterie leuchtet. Schreibe die Energieübertragungskette auf und sage, wo thermische Energie entsteht.