1.6: Was ist Energie?

Das Universum besteht aus Materie in verschiedenen Formen und alle Formen von Materie enthalten Energie. Die verschiedenen Energieformen auf der Erde stammen von der Sonne – der ultimativen Energiequelle. Pflanzen fangen Lichtenergie von der Sonne ein und wandeln sie durch den Prozess der Photosynthese in chemische Energie um. Diese gespeicherte Energie aus Pflanzen kann auf vielfältige Weise genutzt werden. Beispielsweise liefert der Verzehr pflanzlicher Produkte Energie für die Funktion unseres Körpers und die Verbrennung von Holz oder Kohle (versteinerte Pflanzen) erzeugt Wärme und Strom. Da alle Veränderungen der Materie auch Veränderungen der Energie mit sich bringen, ist es daher wichtig zu verstehen, wie sich Energie von einer Form zur anderen wandelt.

Unter Energie versteht man die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Arbeit wird verrichtet, wenn eine auf ein Objekt ausgeübte Kraft dazu führt, dass sich das Objekt entgegen einer Gegenkraft bewegt. Beispielsweise wird Arbeit verrichtet, wenn ein Tisch gegen den Widerstand des Bodens durch einen Raum geschoben wird.

Energie kann in zwei Haupttypen eingeteilt werden: potentielle Energie und kinetische Energie. Potentielle Energie ist die Energie, die mit der relativen Position, Zusammensetzung oder dem Zustand eines Objekts verbunden ist. Kinetische Energie ist die Energie, die mit der Bewegung des Objekts verbunden ist. Beispielsweise besitzt Wasser, das hinter einem Damm zurückgehalten wird, aufgrund seiner Position über dem Boden potenzielle Energie. Wenn es durch Generatoren nach unten fließt, gewinnt es kinetische Energie, die zur Stromerzeugung in einem Wasserkraftwerk genutzt werden kann.

Potentielle Energie

Potentielle Energie wird auch als Ruheenergie oder gespeicherte Energie bezeichnet. Zu den üblichen Arten potentieller Energie gehören die potentielle Gravitationsenergie, die beispielsweise in einem Apfel der an einem Baum hängt gespeichert ist, die elektrische potentielle Energie, die in einem Objekt aufgrund der Anziehung oder Abstoßung elektrischer Ladungen gespeichert ist, oder die chemische potentielle Energie, die in den Bindungen zwischen Atomen und Molekülen gespeichert ist. Darüber hinaus sind die in einem Atomkern gespeicherte Kernenergie und die aufgrund ihrer ?Konfiguration? in einer gedehnten Feder gespeicherte elastische Energie Arten potentieller Energie.

Normalerweise neigen Objekte oder Systeme mit hoher potentieller Energie dazu, weniger stabil zu sein und tendieren dazu sich in Richtung niedrigerer Energieniveaus zu bewegen, um mehr Stabilität zu erreichen. Beispielsweise hat das radioaktive Element Uran-235 (U²³⁵) einen instabilen Kern. Um an Stabilität zu gewinnen, zerfällt es in kleinere, aber stabile Elemente und gibt die gespeicherte Kernenergie frei. Diese freigesetzte Energie kann dann zur Stromerzeugung in Kernkraftwerken genutzt werden.

Kinetische Energie

Die Menge der kinetischen Energie eines Objekts hängt von seiner Masse und Geschwindigkeit ab. Stellen Sie sich zwei Kugeln unterschiedlicher Masse vor, die mit gleicher Geschwindigkeit eine schiefe Ebene hinunter rollen. Die schwerere Kugel hat in diesem Fall eine größere kinetische Energie. Wenn zwei Kugeln gleicher Masse mit unterschiedlicher Geschwindigkeit eine schiefe Ebene hinab rollen, hat die Kugel, die sich schneller bewegt, ebenfalls eine höhere kinetische Energie.

Es gibt auch verschiedene Formen kinetischer Energie, darunter mechanische, elektrische, Strahlungs-, Schall- und Wärmeenergie. Mechanische Energie ist mit der Bewegung eines Objekts verbunden. Je schneller sich ein Objekt bewegt, desto mehr mechanische Energie besitzt es. Beispiele für mechanische Energie sind eine aus einer Waffe abgefeuerte Kugel oder Wasser, das einen Damm hinunter fließt. Unter elektrischer Energie versteht man den Fluss elektrischer Ladungen, wie er bei Blitzeinschlägen bei Gewittern oder in alltäglichen Stromkreisen und Geräten beobachtet wird. Strahlungsenergie ist die Form kinetischer Energie, die sich als elektromagnetische Wellen ausbreitet und in Form von Licht und Wärme erlebt werden kann. Sonnenlicht ist ein Beispiel für Strahlungsenergie.

Wärmeenergie ist mit der zufälligen Bewegung von Atomen und Molekülen verbunden. Wenn sich die Atome und Moleküle in einem Objekt schnell bewegen oder vibrieren, haben sie eine höhere durchschnittliche kinetische Energie (KE) und das Objekt wird als „heiß“ bezeichnet. Wenn sich die Atome und Moleküle langsam bewegen, haben sie eine niedrigere durchschnittliche KE und das Objekt wird als „kalt“ bezeichnet. Somit kann thermische Energie durch die Temperaturänderungen eines Objekts beobachtet werden. Unter der Annahme, dass keine chemische Reaktion oder Phasenänderung (z.B. Schmelzen oder Verdampfen) stattfindet, führt eine Erhöhung der Menge an Wärmeenergie in einer Stoffprobe zu einem Anstieg der Temperatur. Unter der Annahme, dass keine chemische Reaktion oder Phasenänderung (z.B. Kondensation oder Gefrieren) stattfindet, führt eine Verringerung der Menge an Wärmeenergie in einer Stoffprobe zu einer Verringerung der Temperatur.

Das Gesetz der Energieerhaltung

Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt werden, aber die gesamte vor einer Änderung vorhandene Energie existiert auch nach einer Änderung immer in irgendeiner Form. Diese Beobachtung wird als Energieerhaltungssatz ausgedrückt. Der Energieerhaltungssatz besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann, sondern sich nur in ihrer Form verändert. Somit bleibt die Gesamtenergie eines Systems konstant. Beispielsweise wird chemische Energie (eine Art potentieller Energie) in den Molekülen gespeichert, aus denen Benzin besteht. Wenn Benzin in den Zylindern eines Automotors verbrannt wird, erzeugen die schnell expandierenden gasförmigen Produkte dieser chemischen Reaktion mechanische Energie (eine Art kinetische Energie), wenn sie die Kolben des Zylinders bewegen.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 5.1: Energy Basics.

Energie ist definiert als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Arbeit ist definiert als die Distanz, die ein Objekt als Reaktion auf eine angewandte Kraft zurücklegt. Wenn zum Beispiel ein Buch vom Boden aufgehoben und auf einen Tisch gelegt wird, wird gegen die Schwerkraft gearbeitet.

Energie wird in zwei Haupttypen eingeteilt, nämlich in potentielle und kinetische Energie. Potentielle Energie ist die mit der Position, der Zusammensetzung oder dem Zustand eines Objekts verbundene Energie. Sie wird auch als Ruheenergie oder gespeicherte Energie bezeichnet.

Zum Beispiel das Buch, das über dem Boden, auf dem Tisch liegt, besitzt aufgrund seiner Höhe Lageenergie. Diese Lageenergie bleibt im Buch gespeichert solange es in dieser Position gehalten wird. Die verschiedenen Formen der Lageenergie sind die potentielle Gravitationsenergie, elektrische Energie.

chemische Energie, Kernenergie und die elastische Energie. Die Gravitationsenergie ist die offensichtlichste Form der Lageenergie, und es hängt von der relativen Lage des Objekts unter dem Einfluss des Gravitationsfeldes ab. Zum Beispiel das Buch, das auf dem Tisch liegt hat Gravitationsenergie in sich gespeichert.

Elektrische Energie entsteht durch Anziehung oder Abstoßung von elektrischen Ladungen, wie z. B.die in einem Kondensator in einem Stromkreis gespeicherte Energie in Form von elektrischer Lageenergie. Chemische Lageenergie ist in Molekülen gespeichert.

Zum Beispiel speichert trockenes Holz chemische Energie, die freigesetzt und in andere Energieformen umgewandelt wird, wenn das Holz brennt. Kernenergie stammt aus dem Atomkern. und elastische Energie ist die Energie, die in einem Objekt aufgrund seiner Konfiguration gespeichert ist, z.

B.in einer gespannten Schleuder. Kinetische Energie ist die Energie, die mit der Bewegung eines Objekts verbunden ist. Wenn zum Beispiel das Buch vom Tisch fällt, wird seine Lageenergie aufgrund seiner Bewegung in kinetische Energie umgewandelt.

Auch die kinetische Energie selbst existiert in verschiedenen Formen nämlich als mechanische, elektrische, thermische und Strahlungsenergie. Während mechanische Energie aufgrund der mechanischen Bewegung eines Objekts wie eines fahrenden Autos existiert, wird elektrische Energie durch den Fluss von elektrischen Ladungen gebildet, wie man sie bei Blitzeinschlägen sieht. Wenn die kinetische Energie in Form von elektromagnetischen Wellen vorliegt, wie die Energie vom Sonnenlicht, wird sie zu Strahlungsenergie.

Thermische Energie ist die kinetische Energie, die mit der Bewegung von Atomen und Molekülen in einem Objekt verbunden ist. Wenn sich die Atome und Moleküle in einem Objekt schnell bewegen oder schwingen und häufiger miteinander kollidieren, erhöht sich die Temperatur des Objekts. Die Wärme einer brennenden Flamme ist ein Beispiel für thermische Energie.

Das Gegenteil geschieht, wenn sich die Schwingungen oder Bewegungen dieser Atome und Moleküle verlangsamen. Man sagt dann, dass das Objekt kalt ist und eine geringe Wärmeenergie hat wie wenn Wasser gefriert. All diese verschiedenen Formen erleichtern den Energiefluss von einer Art zur anderen und von einem Objekt zum anderen, um die Arbeit zu erledigen.

Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass Energie weder geschaffen noch vernichtet wird sie wandelt sich nur von einem Typ in einen anderen um. Die Gesamtenergie des Systems bleibt also erhalten. Beim Bogenschießen zum Beispiel enthält ein Pfeil, der in einem Bogen gespannt ist, elastische Lageenergie.

Wenn der Bogen losgelassen wird, wird diese Lageenergie in kinetische Energie des Pfeils umgewandelt und der Pfeil wird angetrieben, um das Ziel zu treffen. Auch hier bleibt die Gesamtenergie erhalten.