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Energie

Die Energie ist eine physikalische Größe. Ihre SI-Einheit ist das Joule.

Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems ist eine Erhaltungsgröße. Der Energieerhaltungssatz ist eine der zentralen Grundlagen der Physik und sorgt dafür, dass die Energie für alle Gebiete der Physik eine maßgebliche Größe ist.

Je nach den Beziehungen zu anderen Größen in einem gegebenen System werden verschiedene Energieformen unterschieden, zum Beispiel die kinetische Energie E_kin, die mit der Masse m und der Geschwindigkeit v im Zusammenhang steht,

E_kin = 1/2 m v².

Im Kontext der Thermodynamik sind einige Energieformen, wie die innere Energie, thermodynamische Zustandsgrößen. Sie beschreiben nur den momentanen Zustand eines physikalischen Systems. In Unterscheidung dazu sind andere Energieformen, wie die Arbeit, Prozessgrößen, welche die Änderungen der Zustände beschreiben.

Eine verbreitete aber veraltete Definition der Energie charakterisiert sie als Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. Die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu leisten, ist aber maßgeblich davon abhängig, welche Zustandsänderungen es ermöglicht, da die Arbeit als Prozessgröße von der Art der Zustandsänderung abhängt.

Energieerzeugung und Verbrauch

Der Begriff Energienutzung bezieht sich auf die Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform. Eine Energieerzeugung im eigentlichen Wortsinn ist aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht möglich. Das gleiche gilt für Energieverbrauch, Energieverschwendung, Energiesparen und Energieverlust. In diesem streng physikalischen Sinn gibt es auch weder eine Energieerneuerung noch Erneuerbare Energien! In der Umgangssprache werden diese Worte oft mit moralischer Wertung für die Energieumwandlung verwendet.

Weiterhin ist es meist nicht möglich, die Energieformen vollständig ineinander umzuwandeln. Insbesondere ist es unmöglich, dass ein System seine Wärmeenergie komplett als Arbeit abgibt (Carnot). Beispiele für die Energieumwandlung sind:

die Erzeugung von Licht und Wärme aus dem Energieträger elektrische Energie über eine Glühlampe oder einen Heizwiederstand bzw. Tauchsieder.
die Umwandlung der elektrischen Energie mit Hilfe des Elektromagnetismus in kinetische Energie (Elektromotor).

Chemische Energie eines Brennstoffs kann in Wärmeenergie umgewandelt werden oder die eines Kraftstoffs in Verbrennungsmotoren in kinetische Energie. Abhängig vom Wirkungsgrad der Motore geht ein relativ großer Anteil der verbrauchten Energie als Abwärme verloren.

Kinetische Energie wird bei der Bewegung entgegen dem Schwerefeld der Erde, also bergauf, in potentielle Energie oder über Reibung in Wärmeenergie oder akustische Energie umgewandelt.

In Kraftwerken wird der Energieträger elektrischer Strom auf unterschiedliche Arten erzeugt:

Entweder wird dabei potentielle Energie (im Pumpspeicherkraftwerk) oder kinetische Energie (im Laufkraftwerk oder in einer Windkraftanlage) über Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt oder
es wird der Umweg über eine Wärmekraftmaschine gewählt, um aus Wärme zunächst Wassedampf oder einen organischen Dampf zu erzeugen, der dann eine Turbine oder einen Motor antreibt. Beispiele sind Wärmekraftwerke, die mit Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Kernbrennstoffen, Geothermie oder auch Müll betrieben werden.

Strahlungsenergie, auch in Form von akustischer Energie, wird beim Auftreffen auf eine absorbierende Fläche meistens in Wärmeenergie aber auch in Strom (PV) umgewandelt.