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Grimm, Heiner:
Was ist Energie? - Energie, Leistung, Einheiten, Umrechnung, Faktoren, Formelnhttp://www.wissenschaft-technik-ethik.de/was-ist-energie.shtmlzuletzt aktualisiert am 18.09.2016 |
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Was ist Energie? Diese Frage wird in der Regel so beantwortet: Energie ist die (prinzipielle) Fähigkeit, (Nutz-)Arbeit zu leisten. Doch das ist so nicht ganz richtig. Tatsächlich muss man unterscheiden zwischen gerichteten und ungerichteten ("diffusen") Energieformen. Beispiel: Bewegungsenergie In der Bewegung von Materie ist Energie gespeichert. Im Fall der gerichteten Energieform bewegen sich alle Teilchen (Atome, Moleküle) eines Körpers (z.B. eines rollenden Eisenbahnwaggons) in die gleiche Richtung und somit bewegt sich auch der Körper als Ganzes in diese Richtung. Diese Form der Energie kann in Nutzarbeit umgewandelt werden, z.B. könnte der Waggon über ein an der Achse befestigtes Zahnrad und eine Fahrradkette einen im Waggon befindlichen Schleifstein antreiben, und zwar so lange, bis die gerichtete Bewegungsenergie ("kinetische Energie") des Waggons verbraucht, der Waggon also zum Stillstand gekommen ist. Anders verhält es sich mit der Bewegungsenergie der Atome und Moleküle ("Wärmeenergie"), aus denen der Waggon besteht: Sie schwingen (feste Bestandteile) oder flitzen (gasförmige Bestandteile: die Luft im Inneren) kreuz und quer durcheinander, so dass sich im Durchschnitt alles gegeneinander aufhebt und nichts Verwertbares übrig bleibt. Zur Unterscheidung zwischen beiden Energieformen werden manchmal die Begriffe "Exergie" (gerichtete, nutzbare Energie) und "Anergie" (ungerichtete, nicht nutzbare Energie) verwendet (#MSc). Wärmeenergie ist zum Teil immerhin noch teilweise nutzbar, und zwar immer dann, wenn zwei Körper mit unterschiedlicher Temperatur zur Verfügung stehen. Die vom wärmeren Körper in Richtung kälteren Körper strömende Wärmeenergie ist nämlich ein gerichteter Energiestrom, von dem ein gewisser Anteil A_N in Nutzarbeit umgesetzt werden kann. Wie groß dieser Anteil höchstens ist, kann folgendermaßen berechnet werden (#MSc): A_N(in %) = (T_hoe - T_nie) / T_hoe * 100% mit: A_N : In Nutzarbeit maximal umsetzbarer Anteil am Wärmestrom T_hoe; T_nie : höhere bzw. niedrigere Temperatur Dabei sind T_hoe und T_nie die absoluten (in Kelvin (K), nicht in °C (!) angegebenen) Temperaturen. Die Umrechnung der Temperaturen T von °C in K ist einfach: T(in K) = T(in °C) + 273,15 und umgekehrt: T(in °C) = T(in K) - 273,15 Beispiel: Wenn in einem Kraftwerk Kohle verbrannt und dadurch 600 °C heißer Dampf erzeugt wird, mit dem wiederum eine Turbine angetrieben wird, dann ist nur ein Teil der in der Kohle enthaltenen Energie in elektrischen Strom umwandelbar. Es steht nämlich als Körper mit niedrigerer Temperatur in der Regel nur Kühlwasser mit einer Temperatur zwischen 0 °C und ca. 20 °C (im Mittel ca. 10 °C) zur Verfügung. Der maximale Anteil an Nutzarbeit ist dann: A_N = ((600 + 273)K - (10 + 273)K) / (600 + 273)K * 100% A_N = 68% Dies ist der für die angegebenen Temperaturen theoretisch maximal mögliche Wirkungsgrad. Wegen technischer Unzulänglichkeiten (das Kühlwasser kann nicht ganz auf 10°C herunterkühlen, dazu kommen Reibungs- und Umwandlungsverluste sowie ein Eigenenergieverbrauch des Kraftwerks durch Pumpen, Rauchgasreinigung etc.) beträgt der Wirkungsgrad in der Praxis normalerweise nur etwa 40 % bis 50 %. Die Abhängigkeit des Nutzanteils auch von der Umgebungstemperatur erklärt die Tatsache, dass der Wirkungsgrad eines Kraftwerks im Winter etwas höher ist als im Sommer. Die Dampftemperatur ist durch die Temperaturfestigkeit des jeweils verfügbaren Turbinenmaterials nach oben hin begrenzt. Durch bessere Materialien und entsprechend höhere Temperaturen werden möglicherweise in Zukunft Kraftwerke mit höheren Nutzenergieanteilen (Wirkungsgraden) errichtet werden können. Gerichtete Energieformen: Potentielle Energie: Wegen der Schwerkraft kann ein Körper, wenn er sich nach unten bewegt, z.B. über einen Seilzug Arbeit verrichten. Anwendung: Wasser als flüssiger Körper kann beim Herabfließen eine Turbine antreiben. Kinetische Energie: Wegen seiner trägen Masse kann ein Körper andere Gegenstände in Bewegung setzen, während er selbst immer langsamer wird. Anwendung: Luft als bewegter gasförmiger Körper ("Wind") kann einen Teil seiner Bewegungsenergie an den Rotor einer Windkraftanlage abgeben. Ein häufig verwendeter Spezialfall der kinetischen Energie ist die Rotationsenergie. Anwendung: z.B. Schwungmassenspeicher, Schwungräder Auch die Schwingungsenergie ist ein Spezialfall der mechanischen Energie. Meist werden andere Energieformen in Schwingungsenergie umgewandelt, z.B. Schallerzeugung in Lautsprechern. Es geht aber im Prinzip auch anders herum. Anwendung: z.B. Wellenkraftwerke Chemische Energie: In Form von chemischen Bindungen gespeicherte Energie. Bei der Umwandlung von Stoffen in andere Stoffe mit insgesamt weniger in den chemischen Bindungen gespeicherter Energie wird die Energiedifferenz in andere Energieformen umgesetzt. Anwendung: z.B. Verbrennung, Brennstoffzellen, Batterien, Explosivstoffe Kernenergie: In Form von Bindungen innerhalb der Atomkerne gespeicherte Energie. Bei der Umwandlung von Stoffen in andere Stoffe mit insgesamt weniger in den Kernbindungen gespeicherter Energie wird die Energiedifferenz in andere Energieformen umgesetzt. Bei der Kernenergie normalerweise in Form von Wärme und energiereicher Strahlung. Anwendung: Kernkraftwerke, Kernwaffen Druck-Volumen-Energie: Unter Druck stehende Körper (vor Allem Gase) können unter Volumenausdehnung ihre Gespeicherte Energie in andere Energieformen umsetzen. Anwendung: z.B. Druckluftbetriebene Geräte (Presslufthammer) Elektrische Energie: Durch eine elektrische Spannung (ein elektrisches Kraftfeld) werden elektrische Ladungsträger (Elektronen) in Bewegung durch einen el. Leiter (Draht) versetzt, dabei kann ihre Energie in andere Energieformen umgewandelt werden. Anwendung: z.B. E-Motoren, E-Heizung (auch E-Herd, Bügeleisen) Strahlungsenergie: Nicht an Materie gebundene Energieform. Die in Strahlung enthaltene Energie hängt ab von der Wellenlänge: Je niedriger die Wellenlänge, desto mehr Energie ist in einem "Strahlungsquantum" enthalten. Strahlungsenergie pro Quantum nimmt von oben nach unten ab:
Ungerichtete Energieformen: Wärmeenergie: Anwendung: Heizung, häufig Vermittler zwischen chemischer Energie und elektrischer oder mechanischer Energie Wie wird Energie bemessen? Früher gab es für jede Energieform eine eigene Maßeinheit, z.B.:
Heute wird Energie für sämtliche Energieformen grundsätzlich in J ("Joule") oder Vielfachen davon angegeben:
Was ist Leistung? Mit Leistung bezeichnet man einen kontinuierlichen Energiefluss, bezogen auf die Zeit. Werden z.B. während einer Autobahnfahrt in einem laufenden PKW-Motor in jeder Sekunde 20000 J aus chemischer Energie in Bewegungsenergie (des PKW) umgewandelt, dann beträgt die Nutzleistung für den PKW 20000 J pro Sekunde = 20000 J/s. Die Einheit für jedwede energiebezogene Leistung ist das Watt: 1 W = 1 J/s und seine Vielfachen (wie beim J auch):
Beim PKW müssen sogar mehrere Leistungen betrachtet werden: Die Leistungsaufnahme: Dies ist die pro Sekunde aus chemischer Energie (in Kraftstoff und Luftsauerstoff gespeichert) insgesamt umgesetzte Energie. Diese Energie wird nur zum Teil umgesetzt in Bewegungsenergie (Nutzenergie), ein erheblicher Teil wird unmittelbar in Wärmeenergie umgesetzt (Verlustenergie, soweit nicht zur Beheizung des Innenraumes verwendet). Nutzleistung + Verlustleistung = Leistungsaufnahme Ein anderes anschauliches Beispiel: Ein Maurer zieht Mit Hilfe eines Seils einen Eimer mit Steinen o.Ä. nach oben auf das Gerüst. Die Energie, die er dabei aufwenden und in potentielle Energie umwandeln muss, hängt physikalisch nur vom Gewicht der Steine und der Höhendifferenz ab: E_pot = F_g * (h_o - h_u) mit: E_pot : potentielle Energie F_g : Gewichtskraft h_o bzw. h_u : Höhe oben (Gerüsthöhe) bzw. Höhe unten (am Boden) Das Gewicht ergibt sich aus der Masse m (in kg) und der Erdbeschleunigung g (in m/s^2), deshalb gilt auch: E_pot = m * g * (h_o - h_u) Wenn m = 15 kg, (h_o - h_u) = 10 m und g = 9,81 m/s^2: E_pot = 15 kg * 9,81 m/s^2 * 10 m = 1472 kg*m^2/s^2 und, da 1 kg*m^2/s^2 = 1 J ist: E_pot = 1472 J = 1,472 kJ. Egal wie schnell oder langsam der Maurer den Eimer hochzieht, immer beträgt die in Nutzenergie umgewandelte Energiemenge 1472 J. Unterschiedlich ist jedoch die Leistung: Zieht er den Eimer in 10s nach oben, dann verteilen sich die 1472 J auf 10 s und die Leistung P (angegeben in J/s = W ("Watt")) beträgt somit: P = 1472 J / 10 s = 147,2 J/s = 147,2 W Wenn er sich etwas mehr Zeit lässt, sagen wir mal 20 s, dann verteilt sich die Nutzenergie auf entsprechend mehr Zeit und die Leistung P beträgt nur noch: P = 1472 J / 20 s = 73,6 J/s = 73,6 W Allgemein: Leistung = Energieumsatz / Zeit Umgekehrt gilt: Je länger eine bestimmte Leistung andauert, umso mehr (Nutz)Energie kommt zusammen: Energieumsatz = Leistung * Zeit So verbraucht eine 60 W-Glühlampe (60 W = 0,06 kW) während einer Brenndauer von 100 Stunden eine Energiemenge von 6,0 kWh: 0,06 kW * 100 h = 6,0 kWh Demzufolge gibt es die Möglichkeit, Energie nicht nur in Joule, sondern auch als Produkt von Leistung und Zeit auszudrücken:
In Fachpublikationen werden Energiemengen leider weiterhin in unterschiedlichen Einheiten (insbesondere EJ, GWh, mio. t SKE) angegeben. Wer die betreffenden Zahlenwerte miteinander vergleichen möchte, kommt um ein Umrechnen nicht herum. Die hierfür benötigten Umrechnungsfaktoren sind im Wesentlichen auf dieser Seite wiedergegeben, so dass auch interessierte Laien, die wenig Grundkenntnisse mitbringen, in die Lage versetzt werden, Energie- und Leistungseinheiten ineinander umzurechnen. Die Einheit kWh anschaulich Um die Einheit kWh anschaulich zu machen, hier ein paar Beispiele, welche Nutzwirkung einer kWh entspricht, wenn keine Energieverluste auftreten:
Worin ist 1 kWh Energie gespeichert?
Je nach Wirkungsgrad der Energieumsetzung muss zur Erzeugung einer kWh Nutzenergie entsprechend mehr eingesetzt (verbraucht) werden. Wirkungsgrade liegen z.Zt. bei etwa:
Berechnung von Energie und Leistung Energie E in J wird immer folgendermaßen in kWh umgerechnet: E (in kWh) = E (in J) / 3600000 Beispiel: 7200000 J = 2 kWh Potentielle Energie E_pot: E_pot (in J) = Masse m (in kg) * 9,81 (in m/s^2) * Höhendifferenz (in m) Kinetische Energie E_kin: E_kin (in J) = 0,5 * Masse m (in kg) * (Geschwindigkeit v (in m/s))^2 Elektrische Energie E_el: E_el (in J) = Spannung U (in V) * Stromstärke I (in A) * Zeit t (in s) E_el (in kWh) = Spannung U (in V) * Stromst. I (in A) * Zeit t (in h) / 1000 Elektrische Leistung P_el: P_el (in kW) = Spannung U (in V) * Stromst. I (in A) / 1000 Anmerkung: Die auf Autobatterien aufgedruckte Kapazitätsangabe, z.B. 36 Ah, hat nichts mit der aktuellen Stromstärke zu tun. Ebenso wenig eine Angabe wie "450 A". Diese Angabe besagt lediglich, dass die Batterie bis maximal 450 A belastet werden kann. Die aktuelle Stromstärke ergibt sich aus der Spannung und dem elektrischen Widerstand der einzelnen eingeschalteten Verbraucher nach dem Ohmschen Gesetz: I (in A) = U (in V) / Widerstand R (in Ohm) Wärmeenergie Q: Von Bedeutung ist hierbei vor allen Dingen die Erwärmung: Wie viel (Wärme-)Energie wird benötigt, um einen bestimmten Körper um eine bestimmte Anzahl Celsiusgrade aufzuheizen? Entscheidend hierfür sind seine Masse und seine Eigenschaft "spezifische Wärmekapazität", kurz cp-Wert: Q = m * cp * (T_hoe - T_nie) mit: Q : benötigte Wärmeenergie in kWh m : Masse in kg cp : spezifische Wärmekapazität in kWh/(kg*°C) (T_hoe - T_nie) : Temperaturerhöhung in °C Die cp-Werte einiger wichtiger Stoffe:
Stoff cp-Wert
[kWh/(kg*°C)]
====================================
Wasser 0,00116
Eis, 0°C 0,00054
Wasserdampf, 100°C 0,00058
Aluminium 0,000249
Stahl und Edelstahl 0,000133
Beton 0,00025
Glas, Porzellan, Marmor 0,00022
Sand, trocken 0,00022
Sandstein 0,00020
Holz, i.D. 0,00071
Luft 0,00028
Gummi 0,00039
Kork 0,00056
(#DAL)
Vor Allem Wasser und Holz haben vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazitäten.Umrechnungsfaktoren Umrechnungsfaktoren für Energie:
Dabei bedeutet jeweils:
Umrechnungsfaktoren für Leistung:
Die Angabe /a bedeutet dabei "pro Jahr" Umrechnung aus überkommenen Einheiten: Viele Besucher der Seite "Was ist Energie" haben nach Stichwörtern wie Umrechnung, kWh, MJ, Kilocalorien oder Wärme gesucht. Daher seien im Folgenden auch einige ältere Energie- und Leistungseinheiten aufgelistet: Alte und Amerikanische Energieeinheiten:
Vorsicht ist angezeigt bei der Einheit Kalorie in Nahrungsmittel-Kalorientabellen! Nicht selten werden darin Kilokalorien fälschlicherweise als Kalorien bezeichnet. Wer unbedarft mit diesen Zahlen rechnet, wird z.B. "feststellen", dass die Energie in seinem Mittagessen gerade mal reicht, um damit in den 2. Stock hoch zu steigen. Der tatsächliche Energieinhalt ist jedoch 1000 mal so groß, da die angegebenen "Kalorien" (cal) ja in Wirklichkeit Kilo-Kalorien (kcal) sind. Alte Leistungseinheiten:
(Weitere alte Einheiten sind in großer Zahl in (#MWZ) aufgeführt. Häufig wird nach einem Umrechnungsfaktor zwischen einer Energie- und einer Leistungseinheit gesucht, z.B. MJ in kW oder PS in kWh. In einem solchen Fall gibt es niemals einfach nur einen Umrechnungsfaktor, sondern es muss immer der Faktor Zeit mit berücksichtigt werden: Wie lange dauert eine Leistung an bzw. In welcher Zeit wird eine gegebene Energiemenge umgesetzt? Beispiel: 15 PS (Leistungseinheit) sollen in kWh (Energieeinheit) umgerechnet werden. Hierzu wird zunächst die überkommene Einheit PS in die gebräuchliche Einheit kW umgerechnet: 1 PS = 0,7356 kW 15 PS = 11,034 kW Eine weitere Umrechnung in kWh ist nur möglich, wenn bekannt ist, wie lange die Leistungsaufnahme oder -abgabe andauert. Soll die Leistung von 15 PS im Beispiel über 5 Stunden wirken, dann beträgt der Energieumsatz in diesen 5 Stunden: 15 PS * 0,7356 kW/PS * 5 h = 55,17 kWh Quellen
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