ablehnen

Diese Seite verwendet Cookies um Daten zu speichern und Werbeeinblendungen zu steuern. Lesen Sie die Hinweise zum Datenschutz für mehr Information. Klicken Sie auf "akzeptieren" oder "ablehnen" um der Datenspeicherung zuzustimmen bzw. zu Widersprechen.

akzeptieren

MENUE

Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Was ist Energie?

Tja, alle reden darüber aber was ist eigentlich Energie? Eine zufriedenstellende Erklärung in einem Satz scheint es nicht zu geben. Eher scheint es so zu sein, als wäre Energie etwas Diffuses, sehr Vielfältiges, für das die Physiker vielleicht eine einfache Definition haben mögen, das aber im täglichen Leben doch eher abstrakt daher kommt. Im folgenden werde ich deshalb versuchen, zu erklären, was Energie ist und dafür viele Worte verbrauchen.

Die physikalische Definition

Wie immer machen es sich die Physiker sehr einfach:

"Energie ist gespeicherte Arbeit."

Diese Definition findet man in dieser oder ähnlicher Weise in vielen Physikbüchern und sie ist sicher richtig. Für den Nichtphysiker beinhaltet Sie jedoch ein schwerwiegendes Problem: Was ist Arbeit? Für den Laien wird durch die obige Definition damit das Problem nur von der Energie auf die physikalische Arbeit verschoben. Was Energie ist, weiß man nun immer noch nicht und selbst mit der Definition der Arbeit wird die Vorstellung von Energie nicht konkreter - die Physik liefert hier keine anschauliche Erklärung. Verlassen wir also die Physik und betrachten wir die Energie in unserem Alltag.

Energie im Alltag

Betrachten wir unser tägliches Leben, so stellen wir fest, dass wir dauernd mit Energie in "Berührung" kommen. Unser Wecker benutzt elektrische Energie aus der Steckdose oder einer Batterie um uns zu wecken. Die Lampe, die uns den Weg zur Kaffeemaschine beleuchtet nutzt ebenfalls elektrische Energie, genau wie die Kaffeemaschine und das Radio, dass wir womöglich zum Frühstück einschalten. Das Radioprogramm wird durch Radiowellen vom Sender zu uns übertragen - durch Strahlungsenergie also. Nach dem Frühstück suchen wir das Badezimmer auf und wenden zum Erwärmen des Wassers Energie auf. Diese Energie, die wir da ins Wasser stecken mag vorher elektrische Energie gewesen sein oder auch in irgendeinem Brennstoff (Öl, Gas,...) als chemische Energie gesteckt haben. Nach der Körperhygiene verlassen wir das Haus, um unseren täglichen Geschäften nachzugehen. Um uns zu bewegen benutzen wir nun die Energie, die in unserem Frühstück steckte oder die wir in früheren Zeiten rund um Hüften und Bauch gespeichert haben, je nach persönlichen Vorlieben. Auf dem Weg zur Arbeit benutzen wir ein oder mehrere Verkehrsmittel, die für ihre Bewegung ebenfalls Energie aus unterschiedlichen Quellen benutzen. Bei der Arbeit kommen wir mit unterschiedlichsten Maschinen in Kontakt, die ebenfalls alle Energie benötigen, ebenso wie die Heizung, der Herd, der Fernseher,..... und natürlich auch unser Körper. Bei genauerer Betrachtung scheint nahezu alles, dass wir täglich machen irgendwie mehr oder weniger Energie zu erfordern. Die Energie hat jedoch oft eine andere Erscheinungsform. Diese Vielfältigkeit der Energie macht es so schwierig eine einzelne Definition zu finden.

Energieformen

Die immer gleiche Sache, die Energie, begegnet uns in vielerlei verschiedenen Formen. Einige dieser Energieformen sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Auflistung unterschiedlicher Energieformen
Energieform Beschreibung
Wärmeenergie Beschreibt die Energie, die in der erhöhten Temperatur eines Gegenstandes gespeichert ist. Um den Gegenstand auf die aktuelle Temperatur zu erwärmen musste genau diese Menge Energie aufgewendet werden.
Bewegungsenergie Die Bewegungsenergie ist die Energie, die in der Bewegung eines Gegenstandes gespeichert ist. Um diesen Gegenstand auf die aktuelle Geschwindigkeit zu beschleunigen war genau diese Energie nötig. Die Bewegungsenergie ist nicht die Energie, die nötig ist, um die Bewegung trotz bremsender Kräfte, etwa des Luftwiderstandes, aufrecht zu erhalten.
Strahlungsenergie Sie gibt an, welche Energie in irgendeiner Strahlung enhalten ist. Diese Strahlung kann Licht sein oder auch Funkwellen, radioaktive Strahlung, UV-Strahlung..... Auch der Mikrowellenherd erwärmt Lebensmittel indem er Strahlungsenergie aussendet, die dann von den Lebensmitteln in Wärmeenergie umgewandelt wird.
Chemische Energie Die chemische Energie beschreibt die Energiemenge, die in irgendwelchen "Chemikalien" gespeichert ist. Diese Chemikalien müssen dabei nichts "böses" sein. Im chemischen Sinn sind auch Öl, Gas, Mehl, Zucker, Olivenöl, Stärke, Eiweiß,.... Chemikalien. Die in diesen Substanzen gespeicherte Energie kann oft durch eine Verbrennung freigesetzt werden. Bei Lebensmitteln wird der Energieinhalt des Produktes auf der Packung in kcal oder kJ bei den Nährwertangaben angegeben.
Elektrische Energie Elektrische Energie ist diejenige Energie, die durch den elektrischen Strom tranportiert wird. Wir kaufen sie beim Energieversorger in erschreckend großer Menge und bezahlen sie pro kWh. Die Anzahl der kWh gibt also an, wie viel elektrische Energie wir insgesamt gekauft haben.
Windenergie Mit Windenergie wird häufig die aus dem Wind gewonen elektrische Energie bezeichnet. Eigentlich ist es jedoch die im Wind gespeicherte Energie und damit nichts anderes als die Bewegungsenergie der Luft.
Sonnenernergie Mit Sonnenernegie bezeichnen wir die Energie, die uns die Sonne liefert. Eigentlich meinen wir jedoch diejenige von der Sonne ausgehende Strahlungsenergie, die die Erdoberfläche erreicht - mit anderen Wort: Die Energie des Sonnenlichts.
Kernenergie Wir bezeichnen landläufig mit Kernenergie den Prozess der Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kernkraftwerk. Eigentlich nutzt man einen relativ komplizierten Vorgang, die erzwungene Kernspaltung, um aus Energie, die im Kern großer Atome steckt, elektrische Energie zu gewinnen.
Wasserkraft oder Lageenergie Wasserkraft, wie man sie in Wasserkraftwerken nutzt, ist eigentlich keine "Kraft", sondern die Lageenergie des Wassers. Durch den Regen wurde das Wasser in erhöhter Lage abgelegt. Aus dieser erhöhten Lage fließt es nun freiwillig wieder herab. Die Energie, die nötig wäre, um das Wasser zurück in die erhöhte Position zu bringen steht dabei zum Antrieb verschiedenster Maschinen zur Verfügung. Die Energie ist also eigentlich in der erhöhten Lage des Wassers gespeichert.

Messung der Energiemenge

In der obigen Tabelle ist es bereits im Ansatz ersichtlich: Man kann eine Energiemenge messen, ähnlich wie man eine Geldmenge, eine Masse oder auch eine Entfernung messen kann. Hierzu werden allerdings zahlreiche unterschiedliche Wege beschritten.

Die "biologische" Energieeinheit - Kalorie

Die Kalorie (cal) kennt wohl jeder von der letzten Diät (der eigenen oder der eines nahestehenden Menschen) und aus den zahlreichen Berichten zum Übergewicht der Deutschen. Betrachtet man entsprechende Nachrichten oder auch die Nährwerte auf Lebensmitteln jedoch genauer, stellt man fest, dass dort nicht über Kalorien (cal) sondern Kilokalorien (kcal) gesprochen wird. Ein Liter Milch enthält beispielsweise etwa 650 kcal, also etwa 650.000 cal Energie. Der Tagesbedarf unseres Körpers liegt je nach persönlicher Bewegungssitutation bei etwa 2000 kcal. Führt man dem Körper regelmäßig mehr Kalorien, d.h. mehr Energie, zu als wieder umgesetzt werden, so legt unser Körper Energiedepots an - wir werden dick :-).

Die Kalorie ist eine "historische" Einheit, die eigentlich aus der chemischen Energetik kommt. Dort hat man die Energiemenge auf die für unser Leben wohl wichtigste Chemikalie, das Wasser, bezogen. Definiert wurde die Kalorie damals in etwa wie folgt:

Eine Kalorie (1 cal) ist diejenige Energieportion, die erforderlich ist, um ein Gramm (1g) Wasser bei normalem Luftdruck von 1013,25 hPa von 14,5 auf 15,5°C zu erwärmen.

Neben dieser Definition gibt es noch einige weitere, weniger gebräuchliche. Da sich diese Definitionen alle etwas unterscheiden, ist die genaue Energiemenge, die nun 1 cal entspricht nicht in allen Definitionen gleich. Die Abweichungen bewegen sich jedoch alle unter 1 %, sodass es für die meisten Anwendungen keine Rolle spielt, auf welche Definition man sich bezieht.

In der modernen Physik ist eine uneindeutig definierte Einheit natürlich nicht mehr tragbar. Außerdem hat die Angabe von Energie in Kalorien allerlei Nachteile in physikalischen Berechnungen, weil das Bezugssystem "Wasser" nicht einheitlich zu benutzen ist. Hier haben andere Energieeinheiten (Joule, kWh) deutliche Vorteile, weshalb die Kalorie in der Physik heute nicht mehr benutzt werden sollte. Da sie jedoch die einzige Energieeinheit ist, zu der die meisten Menschen einen "körperlichen" Bezug haben, hat sie für die Veranschaulichung von Energiemengen einige Vorteile.

Die "physikalische" Energieeinheit - Joule

Diese Einheit wurde nach James Prescott Joule benannt und ist eine sogenannte SI-Einheit, d.h. es ist eine der von offizieller Seite "vorgeschriebenen" Einheiten. Aus diesem Grund werden auch praktisch alle Energien, denen wir im täglichen Leben begegnen in Joule (J) angegeben. So finden sich etwa auf Lebensmittelpackungen Nährwertangaben in kcal (siehe oben) und kJ (Kilojoule, 1kJ = 1000 J).

Anders als die Kalorie gehört das Joule zum sogenannten metrischen System, d.h. es lässt sich auf die 7 Basiseinheiten zurückführen. Diese Basiseinheiten sind:

Die 7 Basiseinheiten
Größe Einheit Definition
Strecke Meter (m) Ein Meter ist die Strecke, die das Licht im Vakuum im 299.792.458sten Teil einer Sekunde zurücklegt. D.h. Licht legt im Vakuum in jeder Sekunde eine Strecke von 299.792.458 Metern zurück.
Masse Kilogramm (kg) Das Kilogramm ist etwas seltsam definiert, denn es lässt sich nicht auf irgendeine Naturkonstante zurückführen. Stattdessen hat man sich irgendwann mal geeinigt, dass irgend so ein Klotz, der in Paris seeeehr sicher aufbewahrt wird, genau der Masse von einem Kilogramm entspricht. Jede andere Masse wird nun durch den Vergleich mit diesem Urkilogramm bestimmt. Das Verfahren stellt viele Physiker nicht zufrieden, weil eine Veränderung dieses "Urkilogramms" katastrophale Auswirkungen auf das Einheitensystem der Physik hätte. Man versucht deshalb das Kilogramm auf andere, sicherere Weise neu zu definieren. Natürlich darf sich dabei die Masse, die einem Kilogramm entspricht, nicht verändern.
Zeit Sekunde (s) Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Caesium-Isotops 133Cs entsprechenden Strahlung. - aha :-) Nun, jeder wird etwa wissen, was eine Sekunde ist.
Stromstärke Ampere (A) Natürlich könnte man die Stromstärke als Ladung pro Zeit über die Ladung definieren. Aus irgendwelchen Gründen hat man sich aber entschieden nicht etwa das Coulomb als Einheit der Ladung zur Basiseinheit zu machen, sondern das Ampere auf das metrische System zurückzuführen und darüber zu definieren. Ein Ampere ist demnach diejenige "konstante Stromstärke, die durch zwei parallele, gradlinige, unendlich lange und im Vakuum in Abstand von 1 Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern pro Meter Leiterlänge die Kraft von 2*10-7Newton hervorrufen würde." (Quelle: Wikipedia am 06.03.2008)
Temperatur Kelvin (K) "1 / 273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser genau definierter isotopischer Zusammensetzung."(Quelle:Wikipedia am 06.03.2008) In der Praxis bedeutet dies, dass eine Temperatur von 0 Kelvin (0 K) ziemliich genau der tiefstmöglichen Temperatur entspricht, nämlich -273,13 °C und 0°C dann ziemlich genau 273,13 K sind.
Stoffmenge Mol (mol) Ein Mol ist diejenige Anzahl an 12C-Atomen, die in 12 g isotopenreinen Kohlenstoffs 12C enthalten ist. Ein Mol (1 mol) ist also eigentlich eine Zahl, ähnlich wie ein Dutzend, nur dass 1 mol einer wahnsinnig großen Anzahl entspricht, nämlich etwa 6,022 · 1023 Atomen. (602.200.000.000.000.000.000.000)
Lichtstärke Candela (cd) "Die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540·1012 Hz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1 / 683 Watt pro Steradiant beträgt." (Quelle:Wikipedia am 11.01.2017)

Innerhalb dieses Systems wird die Einheit Joule nun etwa wie folgt definiert:

Ein Joule ist diejenige Energie, die nötige ist, um längs eines Weges von 1 m (1 Meter) eine Kraft von 1 N (1 Newton) zu überwinden.

Ein Newton lässt sich dabei auf die SI-Einheiten etwa in der folgenden Weise zurückführen:

Ein Newton ist diejenige Kraft, die erforderlich ist, um einen Körper der Masse 1 kg in einer Sekunde (1s) um 1 m/s zu beschleunigen.

Man sieht also: Das Joule ist eine wunderschön anschauliche Einheit:-). Nein, ist es nicht, aber Joule bietet wegen der Integration in das metrische System sehr viele Vorteile in physikalischen Berechnungen. Deshalb hat die Angabe von Energien in Joule in der Physik viele Vorzüge. Praktisch ist ein Joule etwa diejenige Energie, die erforderlich ist, um auf der Erde 100g einen Meter weit senkrecht nach oben zu heben. Einen Liter Wasser einen Meter hoch zu heben erfordert also bereits etwa 10 J. Ein Joule ist demnach eher eine kleine Energiemenge, weshalb man häufig Angaben in kJ (1000 J) oder sogar MJ (1.000.000 J) findet. Ein Megajoule (1MJ) reicht aus, um auf der Erde eine Masse von einer Tonne etwa 100 Meter hoch zu heben.

Die "kommerzielle" Energieeinheit - Kilowattstunden

Weil ein Joule so wenig ist wird Energie oft in der Einheit kWh (Kilowattstunden) verkauft. Wenn wir unsere Stromrechnung bekommen, dann findet sich dort unser "Stromverbrauch" in kWh. Letztlich kaufen wir also vom "Stromkonzern" nicht etwa "Strom", sondern Energie, die wir pro kWh bezahlen müssen. 1 kWh lässt sich dabei ebenso auf die SI-Einheiten zurückführen, wie das Joule und ist daher anders als die Kalorie keine "illegale" Einheit. Da jedoch die Stunde, die in die Kilowattstunde eingeht, aus 3600 Sekunden besteht, ist die Angaben von Energien in kWh für physikalische Berechnungen eher unpraktisch.

Um 1 kWh Energie zu "verbrauchen" muss man eine Stunde lang eine Leistung von 1000 Watt umsetzen, oder 30 Minuten lang 2000 Watt oder 2 Stunden lang 500 Watt oder.... Eine Kilowattstunde ist somit eine relativ große Menge Energie, nämlich genau 3.600.000 J oder 3.600 kJ oder 3,6 MJ.

Die Energie pro Sekunde - Watt

Eigentlich ist Watt (W) keine Energieinheit, sondern eine Einheit der Leistung. Da jedoch Energie und Leistung eng verwandt sind und "Watt" im Alltag oft fälschlich synonym zur Energie benutzt wird, wird es hier auch beschrieben.

Eine Leistung von einem Watt (1 W) wird verrichtet, wenn in einer Sekunde (1 s) ein Joule (1 J) Energie umgesetzt wird. Die Leistung in Watt gibt also an, wie viel Energie in jeder Sekunde umgesetzt wird. Ein Toaster mit 800 Watt setzt also in jeder Sekunde die Energiemenge um, die nötig wäre, um 800 Tafeln Schokolade zu je 100 g gegen die Erdanziehung um ca einen Meter anzuheben.Multipliziert man also die Leistung in Watt mit der Zeit in Sekunden erhält man die insgesamt umgesetzte Energiemenge in Joule. Multipliziert man hingegen die Leistung in Kilowatt (kW, 1kW = 1000W) mit der Zeit in Stunden, erhält man die Energiemende in kWh. Wenn man also mit seinem Auto mit einer Leistung von vielleicht 100 kW (136 PS) eine Stunde mit Vollgas über die Autobahn fährt, so hat man 100 kWh Energie umgesetzt.

Des Autofahrers Liebling - PS

PS steht für Pferdestärken und ist damit eine durchaus missverständliche Bezeichnung, denn mit Pferden oder mit "Stärke" hat PS eigentlich relativ wenig zu tun, obwohl sich die Bezeichnung ursprünglich von der Arbeitsfähigkeit eines Pferdes ableitete. Details dazu, genau wie die genaue historische Definition, lassen sich unter Wikipedia nachlesen. Tatsächlich ist PS die Einheit einer Leistung, d.h. eines Energiemsatz pro Zeit und beschreibt also das Gleiche, wie die Einheit Watt. Man könnte also die Leistung einer Lampe statt in Watt auch in PS angeben. Aus irgendwelchen Gründen hat sich jedoch PS vor allem im Motorenbereich durchgesetzt, muss aber auch hier von Rechts wegen durch die SI-Einheit Watt ersetzt werden, weshalb bei Autos heute immer auch die Leistung in Watt angegeben werden muss. Die Angabe in Watt ist dabei Pflicht, die in PS optional. Umrechnen lässt sich zwischen den beiden Einheiten wie folgt:

1 PS = 735,5 W = 0,7355 kW
1 kW = 1000 W = 1,36 PS

Man könnte also die Leistung einer 100 Watt-Lampe auch in PS angeben (0,136 PS). Ebenso könnte man auch die Leistung eines Autos in Watt, d.h. Joule/Sekunde angeben: 136 PS = 100 kW = 100.000 W = 100.000 J/s. Ein 136 PS-Motor setzt also in jeder Sekunde maximal 100.000 J mechanischer Energie frei - genug um eine Tafel Schokolade etwa 100 km in die Höhe zu heben. 100.000 J sind 100 kJ und das sind etwas weniger als 24 kcal in jeder Sekunde, d.h. in 100 Sekunden, also nicht mal zwei Minuten, kann dieser Motor mehr Energie umsetzen, als unser Körper den ganzen Tag über benötigt.

Anleitung zum Umrechnen

Um den Aufwand bei diesen Anleitungen in Grenzen zu halten, wird zu jeder Einheit nur erklärt, wie sie in Joule umgerechnet wird und wie Joule in die entsprechende Einheit umgerechnet wird. Auf diese Weise sollten sich dann alle Enheiten über den Umweg Joule ineinander umrechnen lassen.

Da die Einheiten z. T. sehr unterschiedlich groß sind, finden sich häufig Zusätze wie k (Kilo).

Vorsätze für Maßeinheiten

Die Vorsätze haben immer die gleiche Bedeutung, egal vor welcher Einheit sie stehen. So meint k (Kilo) immer das Tausendfache der Einheit, wie die folgenden Beispiele zeigen:

De wichtigsten der offiziellen Vorsätze sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Vorsätze für Maßeinheiten
Symbol Name Wert
Y Yotta 1.000.000.000.000.000.000.000.000 Quadrillion
Z Zeta 1.000.000.000.000.000.000.000 Trilliarde
E Exa 1.000.000.000.000.000.000 Trillion
P Peta 1.000.000.000.000.000 Billiarde
T Tera 1.000.000.000.000 Billion
G Giga 1.000.000.000 Milliarde
M Mega 1.000.000 Million
k Kilo 1.000 Tausend
h Hekto 100 Hundert
da Deka 10 Zehn
d Dezi 0,1 Zehntel
c Centi 0,01 Hundertstel
m Milli 0,001 Tausendstel
µ Mikro 0,000.001 Millionstel
n Nano 0,000.000.001 Milliardstel
p Piko 0,000.000.000.001 Billionstel
f Femto 0,000.000.000.000.001 Billiardstel

Kalorien in Joule

Je nach verwendeter Definition der Kalorie ist 1 cal etwa 4,184 bis 4,186 J. Um also Kalorien in Joule umzurechnen, wird die Zahl der Kalorien mit 4,185 multipliziert. Um Joule in Kalorien umzurechnen muss entsprechend durch 4,185 geteilt werden.

Beispiele:

2000 kcal = 2.000.000 cal = 2.000.000 · 4,185 J = 8.370.000 J = 8370 kJ = 8,37 MJ
3,6 MJ = 3.600.000 J = 3.600.000/4,185 cal = 860.215 cal = 860,215 kcal

Kilowattstunden in Joule

Eine Kilowattstunde (1kWh) Energie umgesetzt zu haben bedeutet z.B. eine Stunde lang 1000 Watt geleistet zu haben. Eine Stunde hat dabei 3600 Sekunden; 1000 Watt Leistung bedeutet aber 1000 Joule Energieumsatz in jeder Sekunde. Damit ergibt sich für 1 kWh:

1 kWh = 1000 Wh = 1000 J/s · 1h = 1000 J/s · 3600 s = 3.600.000 J =3,6 MJ

1 kWh ist also die gleiche Energiemenge, wie 3.600.000 J. Deshalb muss man die Energie in kWh mit 3.600.000 multiplizieren, um die Energie in Joule zu erhelten. Entsprechend muss die Energiemenge in Joule durch 3.600.000 geteilt werden, um kWh zu erhalten.

Watt in Joule

Da Watt und Joule eigentlich zwei völlig verschiedene physikalische Größen beschreiben, ist eine Umrechnung so ohne weiteres nicht möglich. Die Frage, wie viel Watt ein Joule sind, ist ähnlich der wie viele Äpfel eine Birne sind: Es gibt keine Antwort. Da jedoch zwischen Leistung (Watt) und Energie (Joule) anders als zwischen Äpfeln und Birnen ein recht einfacher physikalischer Zusammenhang besteht, ist eine Umrechnung doch möglich, wenn man eine weitere Größe, die Zeit in Sekunden, mit in die Berechnung einbezieht.

Ein Watt Leistung zu verrichten bedeutet in einer Sekunde ein Joule Energie umzusetzen. Aus diesem einfachen Sachverhalt ergibt sich somit die Anleitung zur Umrechnung. Um aus der Leistung in Watt auf die umgesetzte Energie in Joule zu kommen, muss die Leistung mit der Zeit in Sekunden multipliziert werden.

Wird bispielsweise eine Stunde (1h) lang eine Lampe mit einer Leistung von 60 Watt betrieben, so lässt sich die umgesetzte Energie wie folgt berechnen:

1 h = 60 min = 60 · 60 s = 3600 s
60 W · 3600 s = 216.000 J = 216 kJ

Wird dagegen innerhalb von 2 Stunden durch irgendein Gerät eine Energiemenge von 4 kWh umgesetzt, so lässt sich die mittlere Leistung in Watt berechnen, indem die umgesetzte Energie in Joule durch die Zeit in Sekunden geteilt wird.

2 h = 2 · 60 min = 2 · 60 · 60 s = 7200 s
4 kWh = 4 · 3.600.000 J = 14.400.000 J
14.400.000 J/7200 s = 2.000 W = 2 kW

PS in Joule

Für PS gilt das Gleiche, wie schon für Watt - PS ist die Einheit einer Leistung, d.h. einer Energie pro Zeit und kann deshalb nur unter Berücksichtigung der Zeit in Joule umgerechnet werden. Hierbei ist es am einfachsten, die PS zunächst in Watt umzurechnen und diese dann wie vorstehend beschrieben in Joule umzurechnen.

Wie bereits weiter oben erwähnt, ist 1 PS = 735,5 W. Um also PS in Watt umzurechnen, muss lediglich die Anzahl der Pferdestärken mit 735,5 multipliziert werden. Für den Weg zurück, d.h. für die Umrechnung von Watt in PS muss zunächst die Leistung in Watt durch Tausend geteilt werden. Das erhaltene Ergebnis wird dann mit 1,36 multipliziert, um die Leistung in PS zu erhalten.

Energie kann nicht erzeugt werden

Die Überschrift enthält eines der fundatmentalen Gesetze der Physik, die Energieerhaltung. Dieses Gesetz, von dem es unter keinen Umständen eine Ausnahme geben kann, besagt, dass Energie weder vernichtet noch erzeugt werden kann. Wenn wir also umgangssprachlich von Energieerzeugern, Energieverbrauchern oder Energieverbrauch reden, dann meinen wir nicht tatsächlich Verbrauch oder Erzeugung von Energie, denn dies ist ja physikalisch unmöglich, sondern wir meinen die Umwandlung von Energie in eine andere Form. Diese Umwandlungen sind etwas abstrakt und werden deshalb an ein paar Beispielen illustriert.

Energieumwandlungen beim Autofahren

schematische Darstellung der 
             Energieumwandlungen beim Autofahren
Schematische Darstellung der Energieumwandlungen beim Autofahren

Ursprünglich ist die zum Autofahren benutzte Energie als chemische Energie im Kraftstoff gespeichert. Ein Liter Benzin enthält etwa 32 MJ = 32.000.000 J Energie, ein Liter Diesel sogar etwa 35 MJ. Der Kraftstoff wird im Motor verbrannt, wodurch die in ihm gespeicherte chemische Energie als Wärmeenergie freigesetzt wird. Diese Wärmeenergie wird nun teilweise in mechanische Energie umgesetzt (etwa 30 bis 35 %). Der Rest wird direkt als Wärme über den Kühler und den Auspuff an die Umgebung abgegeben. Die mechanische Energie wird nun benutzt, um das Auto zu bewegen. Hierbei ist im Flachland Energie eigentlich nur für zwei Dinge nötig: Zur Überwindung bremsender Kräfte, etwa der Reibung und des Luftwiderstands, und zum Beschleunigen, d.h. zum "Erzeugen" von Bewegungsenergie. Beim Bremsen wird diese Bewegungsenergie an den Bremsen in Wärmeenergie umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Die an der Straße und in den Lagern entstehende Reibungsenergie wird ebenfalls direkt in Wärme umgewandelt, ebenso die Energie, die zur Überwindung des Luftwiderstandes nötig ist, denn das Auto überträgt die Energie direkt als Bewegungsenergie auf die Luftmoleküle, die sich dadurch schneller bewegen -> die Luft wird wärmer. Diese Vorgänge sind im folgenden Energieflussdiagramm dargestellt:

Energieumwandlungen zum Erzeugen elektrischen Lichts

Strom, d.h. elektrische Energie ist kein Primärenergieträger. Aus diesem Grund muss die elektrische Energie zunächst aus einem Primärenergieträger gewonnen werden. Da ein erheblicher Teil der elektrischen Energie derzeit aus Kohle gewonnen wird, gehe ich hier davon aus, dass unsere Energie ursprünglich mal in der Kohle gespeichert war.

schematische Darstellung der 
             Energieumwandlungen beim Betrieb einer Glühlampe
Schematische Darstellung der Energieumwandlungen beim Betrieb einer Glühlampe

Um aus Kohle Strom zu gewinnen, muss die chemische Energie der Kohle durch Verbrennen als Wärme freigesetzt werden. Dies geschieht im Kohlekraftwerk. Aus dieser Wärmeenergie wird dann auf pfiffige Weise über den Umweg der mechanischen Energie ein maximaler Anteil (etwa 45 %) in elektrische Energie umgewandelt. Die restlichen ca. 55 % werden direkt als Wärme an die Umgebung abgegeben. Die elektrische Energie wird dann unter erneutem Verlust einiger Prozent zu den Haushalten übertragen. Auch diese Verluste werden als Wärme an die Umwelt abgegeben. Im Haus fließt dann der Strom durch die Glühlampe und erwärmt dort den Draht, der in Folge der hohen Temperatur zu glühen beginnt. Hierbei werden etwa 5 % der restlichen Energie als Lichtenergie ausgesandt, die übrigen 95 % werden als Wärme an den Raum abgegeben. Die Lichtenergie wird dann beim Auftreffen auf dunkle Flächen ebenfalls in Wärme umgewandelt, sodass am Ende alle Energie als Wärme vorliegt. Diese Vorgänge sind im folgenden Fließschema dargestellt:

LEDs oder Energiesparlampen haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad, d.h. der Anteil der Lichtenergie ist deutlich höher und der der Wärmeenergie deutlich geringer aber prinzipiell ist der Umwandlungsprozess gleich.

Der unfassbar schlechte Wirkungsgrad der Glühlampe (eigentlich müsste sie Heizung heißen, denn leuchten tut sie ja nur nebenbeo) ist auch der Grund für das weitestgehende Verbot der Glühlampe. Uneffektiver kann man eigentlich nur noch mit Kerzen oder offenem Feuer leuchten.

Allgemein

Ähnliche Energieumwandlungen wie in den obigen Beispielen finden bei allen Prozessen des täglichen Lebens statt. Hier wird ständig Energie von einer Form in eine Andere umgewandelt. Bei jeder dieser Umwandlungen geht immer ein mehr oder weniger großer Teil der Energie als Wärme in die Umgebung verloren. Lediglich die Umwandlung einer beliebigen Energieform in Wärme gelingt vollständig. Auch der Energietransport ist normalerweise mit Wärmeverlusten behaftet, sodass am Ziel weniger Energie ankommt, als eigentlich los geschickt wurde. Diese Verluste sind alle unvermeidbar, lassen sich aber technische Optimierungen verringern.

Energie hat in ihrem Verhalten einige Gemeinsamkeiten mit Geld. Auch Geld verschwindet nicht und kann (darf) nicht erzeugt werden. Man kann Geld erhalten, tauschen und ausgeben. Weg ist es nach dem Ausgeben jedoch nicht, es steht einem nur nicht mehr zu Verfügung. Energieverbrauch ist dem sehr ähnlich: Verbraucht man Energie, ist sie nicht weg, sondern lediglich in eine für den Verbraucher derzeit nicht mehr nutzbare Form umgewandelt worden. Wenn man Energie erzeugt, meint man also eigentlich, dass man Energie durch eine oder mehrere Umwandlungen in einer wertvollen, leicht nutzbaren Form zur Verfügung stellt. Erzeugt wird die Energie hierbei nicht, lediglich in eine andere Form umgewandelt.

Das Ende aller Energie - zerstreute Wärme

Am Ende aller Energieumwandlungsketten steht immer Wärmeenergie, d.h. aus aller Energie wird am Ende Wärmeenergie. Diese Wärmeenergie ist jedoch nicht mehr nutzbar, weder zum heizen noch für irgend etwas anderes, denn es ist gleichmäßig verteilte Wärme. Gleichmäßig verteilt bedeutet hierbei, dass es nirgends eine größere Energiedichte gibt, als irgendwo anders. Die Energie hat sich also absolut gleichmäßig in der Gegend verteilt - sie hat sich völlig zerstreut. Energie ist für uns aber nur nutzbar, wenn die Energiedichte irgendwo höher ist, als irgendwo anders. Diese zerstreute Wärmenergie ist also "verlorene" Energie.

Energie, die für uns technisch nutzbar ist, muss also in sehr kompakter, konzentrierter Form vorliegen. Es muss sich in einem kleinen Volumen deutlich mehr Energie befinden als in der Umgebung in gleichgroßen Volumenelementen enthalten ist. Ist dies der Fall, ist der Energiedichtenüberschuss für uns nutzbar. Wir können die Energie vom Ort großer Energiedichte zum Ort kleinerer Energiedichte fließen lassen. Auf dem Weg dorthin ist die Energie in der Lage Arbeit zu verrichten - sie ist also für uns nutzbar. Nach der Gleichverteilung, wenn die Energiedichte überall gleichgroß ist, ist die Energie für uns verloren. Das Streben der Energie nach Gleichverteilung ist demnach der eigentliche Antrieb aller Dinge.

Will man nun gegen den natürlichen Prozess der Gleichverteilung die Energiedichte an irgendeinem Ort erhöhen, wie dies etwa bei der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie in einem Kraftwerk geschieht, so ist dies nur möglich, wenn gleichzeitig an einem anderen Ort eine große Menge Energie zerstreut wird. Die gesamte Energie des Universums muss sich durch diesen von uns erzwungenen Prozess der Energiekonzentration insgesamt gleichmäßiger verteilen. Geschieht dies nicht, ist die Beabsichtigte Energieumwandlung unmöglich. Dies ist der Grund für den vergleichsweise erbärmlichen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen (Kraftwerke, Verbrennungsmotoren,....alle Maschinen, in denen aus Wärme eine Bewegung erzeugt wird). Wird hingegen bei einem Vorgang eine "hochdichte" Energieform, etwa elektrische Energie, in eine "weniger dichte" Form, etwa Bewegungsenergie, umgewandelt, so steigt bereits durch diesen Prozess der Grad der Zerstreuung der Energie an, sodass keine zusätzliche Energie zerstreut werden muss und der Wirkungsgrad theoretisch nahezu 100 % betragen kann.