Inhaltsverzeichnis
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- Energie als Erhaltungsgröße
- Energie und Energieformen
- Was ist Energie?
- Energieformen
- Umwandlung und Übertragung von Energie
- Entwertung von Energie
- Energieformen in der Mechanik
- Höhenenergie
- Bewegungsenergie
- Energieumwandlung
- Beispiel
- Mechanische Arbeit
- Arten mechanischer Arbeit
- Wirkungsgrad
- Leistung
Energie als Erhaltungsgröße
Energie und Energieformen
Was ist Energie?
Enerige ist in der Physik eine Größe. Mit Energien können Körper bewegt, verformt, erwärmt oder zur Aussendung von Licht gebracht werden.
Ihr Formelzeichen ist E, ihre Einheit wird in Joule angegeben.
- Formelzeichen: E
- Einheit: 1 Joule bzw. 1 J
Dabei ist ein Joule wie folgt definiert:
$$ \mathrm{1\,J = 1\,Nm = 1\,\frac{kg \cdot m^2}{s^2}} $$
Energieformen
Energie kann in verschiedenen Formen vorliegen:
- Höhenenergie (Epot): Jeder Körper besitzt wegen seiner Lage Höhen-/Lageenergie oder potenzielle Energie.
- Bewegungsenergie (Ekin): Ein Körper, der sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt, besitzt kinetische Energie.
- Spannenergie (ESp): Eine Feder besitzt bei einer Verformung Spannenergie.
- Innere Energie (Ei): Ein Körper hat wegen seiner Temperatur innere Energie.
- Chemische Energie (ECh): Jeder Körper mit chemischen Reaktionen hat eine chemische Energie.
- Elektrische Energie (Eel): Zum Betreiben elektrischer Geräte ist elektrische Energie notwendig.
- Kernenergie (EKern): ist die freiwerdende Energie bei der Kernspaltung oder -fusion.
Umwandlung und Übertragung von Energie
Energie kann von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden und von einem Körper auf andere übertragen werden. Sie kann aber weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur in andere Formen umgewandelt werden. Dies ist der Energieerhaltungssatz.
Entwertung von Energie
Bei einer Glühlampe werden lediglich fünf Prozent der elektrischen Energie in Licht umgewandelt. Der Rest wird als Wärme abgegeben. Da diese Form der Energie nicht weiterverwendet wird, spricht man von einer Entwertung von Energie.
Energieformen in der Mechanik
Ein Körper hat aufgrund seiner Lage oder seiner Bewegung mechanische Energie.
Höhenenergie
Die Höhenenergie eines Körpers ist umso größer,
- je größer die Höhe h ist und
- je schwerer der Körper ist.
Ein Körper hat eine von seiner Masse m und vom Ortsfaktor g abhängige Gewichtskraft FG:
$$ F_G = m \cdot g $$
Befindet er sich in der Höhe h gegenüber einem zuvor gewählten Nullpunkt, hat er die potenzielle Energie Epot:
$$ E_{pot} = F_G \cdot h = m \cdot g \cdot h $$
Bewegungsenergie
Die Bewegungsenergie eines Körpers ist umso größer,
- je größer die Masse m ist und
- je größer die Geschwindigkeit v ist.
Ein Körper der Masse m mit der Geschwindigkeit v hat die kinetische Energie Ekin:
$$ E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2 $$
Energieumwandlung
Die Summe der kinetischen und potenziellen Energie sowie der Spannenergie bleibt konstant, solange keine Energie nach außen abgegeben wird.
Beispiel
Ein Ball wird fallgelassen. Zunächst ist Epot = 1 und Ekin = 0. Am Boden ist dann Epot = 0 und Ekin = 1.
Setzt man Ekin = Epot und löst nach h auf, so erhält man
$$ h = \frac{v^2}{2 \cdot g} $$
Löst man die Gleichung nach v auf, so erhält man:
$$ v = \sqrt{2 \cdot g \cdot h} $$
Mechanische Arbeit
Formen der Arbeit sind Hub-, Spann-, Beschleunigungs- und Reibungsarbeit. Unter mechanischer Arbeit versteht man, wieviel Energie ΔE auf einen Körper mechanisch übertragen oder von ihm abgegeben wird. Dabei wirkt eine Kraft F längs eines Weges s. Ist die wirkende Kraft längs des Weges konstant, gilt:
$$ W = F \cdot s $$
Arten mechanischer Arbeit
- Hubarbeit: Ein Körper der Gewichtskraft Fg wird um die Höhe h hochgehoben.
Es wird Hubarbeit WH verrichtet:
$$ W_H = F_g \cdot h = m \cdot g \cdot h $$
- Beschleunigungsarbeit: Wirkt auf einen Körper der Masse m die Kraft F, so erfährt er eine Beschleunigung a.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der zugeführten Energie Ezu in nutzbringende Energie Enutz umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad ist aber immer kleiner als 1 bzw. 100 %.
- Formelzeichen: η (eta)
- Berechnung:
Leistung
Die mechanische Leistung gibt an, wie schnell mechanische Arbeit verrichtet wird.
- Formelzeichen: P
- Berechnung:
- Einheit: 1 Watt bzw. 1 W
1 Watt ist dabei wie folgt definiert:
$$ \mathrm{1\,W = 1\,\frac{J}{s} = 1\,\frac{Nm}{s} = 1\,\frac{kg \cdot m^2}{s^3}} $$
