Was ist Energie – Physik – Definition

Was ist Energie?

Der Begriff Energie ist sehr sehr weit gefasst und hat viele Definitionen. Technisch gesehen ist Energie eine skalare physikalische Größe , die dem Zustand eines oder mehrerer Objekte zugeordnet ist. Energie wird im Allgemeinen als das Potenzial definiert , Arbeit zu verrichten oder Wärme zu erzeugen . Manchmal ist es wie die „Währung“ für die Ausführung von Arbeiten. Sie müssen Energie haben, um Arbeit zu erledigen. Um 1 Kilojoule Arbeit zu verrichten, müssen Sie 1 Kilojoule Energie verbrauchen. Es muss hinzugefügt werden, dass diese Interpretation irreführend sein kann, da nicht unbedingt Energie zur Verfügung steht, um Arbeiten auszuführen.

Eine der schönsten Eigenschaften des Universums ist , dass Energie umgewandelt werden kann von einem Typ in einen anderen und übertragen von einem Objekt zum anderen. Darüber hinaus ist die Gesamtenergiemenge immer dieselbe , wenn sie von einem Typ zu einem anderen transformiert und von einem Objekt zu einem anderen übertragen wird . Es ist eine der elementaren Eigenschaften des Universums.

Das Verbrennen von Benzin zum Antrieb von Autos ist beispielsweise ein Energieumwandlungsprozess, auf den wir uns verlassen. Die chemische Energie in Benzin wird in Wärmeenergie umgewandelt , die dann in mechanische Energie umgewandelt wird , die das Auto in Bewegung versetzt. Die mechanische Energie wurde in kinetische Energie umgewandelt . Wenn wir ein Auto mit der Bremse anhalten, wird diese kinetische Energie durch Reibung in Wärme oder Wärmeenergie zurückgewandelt .

Energieeinheiten

Energie wird im Allgemeinen als das Potenzial definiert, Arbeit zu verrichten oder Wärme zu erzeugen. Diese Definition bewirkt, dass die SI-Einheit für Energie dieselbe ist wie die Arbeitseinheit – das Joule (J) . Joule ist eine abgeleitete Energieeinheit und wird zu Ehren von James Prescott Joule und seinen Experimenten zum mechanischen Äquivalent von Wärme benannt. Grundsätzlich ist 1 Joule gleich:

1 J = 1 kg · m ² / s ²

Da Energie eine grundlegende physikalische Größe ist und in verschiedenen Bereichen der Physik und des Ingenieurwesens verwendet wird, gibt es in der Physik und im Ingenieurwesen viele Einheiten. Diese Einheiten sind in folgenden Punkten zusammengefasst:

Da Energie eine grundlegende physikalische Größe ist und in verschiedenen physikalischen und technischen Bereichen verwendet wird, gibt es in der Physik und im Ingenieurwesen viele Einheiten. Diese Einheiten sind in folgenden Punkten zusammengefasst:

Beispiele für Energie von 1 Joule

Ein Joule im Alltag und in der Wissenschaft entspricht ungefähr:

• Die kinetische Energie eines Objekts mit einer Masse von 1 kg bewegt sich mit √2 ≈ 1,4 m / s .
• Die kinetische Energie eines 50 kg schweren Objekts (z. B. eines Menschen) bewegt sich sehr langsam – ungefähr 0,72 km / h .
• Die Energie, die benötigt wird, um einen mittelgroßen Apfel ( 100 g ) 1 Meter senkrecht von der Erdoberfläche zu heben .
• Die Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 g Wasser um 0,24 ° C zu erhöhen .
• Die zum Verdampfen erforderliche Wärme von 0,00044 g flüssigem Wasser bei 100 ° C.
• Die Menge an Strom benötigt , um ein Licht 1 Watt LED für 1 s .
• Wird durch ca. 3,1 ⋅ 10 ¹⁰ Spaltungen in einem Kernreaktor freigesetzt .

Energieformen

Energie existiert in vielen Formen. Übliche Energieformen umfassen mechanische Energie , die klassisch in kinetische und potentielle Energie unterteilt ist . Die kinetische Energie hängt mit der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts zusammen . Die potentielle Energie hängt mit der Position eines Objekts in einem Kraftfeld zusammen (Gravitation, Elektrizität oder Magnet). Die Spannung in einer Feder oder die Oberflächenfilmspannung sind andere Formen potentieller mechanischer Energie (elastische Energie). Es gibt viele andere Energieformen, einschließlich elektrischer, magnetischer, chemischer und nuklearer Energie .

In der Thermodynamik wird das Energiekonzept erweitert, um andere beobachtete Änderungen zu berücksichtigen. Die Thermodynamik befasst sich mit einer anderen Art von Energie, die als ” Wärmeenergie ” oder ” innere Energie ” bezeichnet wird. Die Energie eines geschlossenen Systems kann nur durch Energieübertragung durch Arbeit oder Wärme verändert werden . Basierend auf den Experimenten von Joule und anderen ist ein grundlegender Aspekt des Energiekonzepts, dass Energie erhalten bleibt. Dieses Prinzip ist als erster Hauptsatz der Thermodynamik bekannt . Im Allgemeinen ist Energie ein grundlegendes Konzept der Thermodynamik und einer der wichtigsten Aspekte der technischen Analyse.

Masse-Energie-Äquivalenz

Eines der bemerkenswerten Ergebnisse von Einsteins Relativitätstheorie ist, dass Masse und Energie gleichwertig und ineinander umwandelbar sind. Die Gleichwertigkeit von Masse und Energie wird durch Einsteins berühmte Formel beschrieben:

wobei M die kleine Menge an Masse und C die Lichtgeschwindigkeit ist.

Was das heißt? Wenn die Kernenergie erzeugt wird (Atomspaltung, Kernfusion), wandelt sich eine kleine Menge Masse (die in der Kernbindungsenergie gespeichert ist ) in reine Energie um (wie kinetische Energie, Wärmeenergie oder Strahlungsenergie).

Das Energieäquivalent von einem Gramm (1/1000 Kilogramm) Masse entspricht:

• 89,9 Terajoule
• 25,0 Millionen Kilowattstunden (≈ 25 GW · h)
• 21,5 Milliarden Kilokalorien (21 Tcal)
• 85,2 Milliarden BTUs

oder auf die Energie, die durch Verbrennung von Folgendem freigesetzt wird:

• 21,5 Kilotonnen TNT-äquivalente Energie (≈ 21 kt)
• 568.000 US-Gallonen Benzin

Jedes Mal, wenn Energie erzeugt wird, kann der Prozess aus der Perspektive E = mc ² bewertet werden .

Prinzip der Energieeinsparung

Eine der wunderbarsten Eigenschaften des Universums ist, dass Energie von einem Typ in einen anderen umgewandelt und von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden kann . Darüber hinaus ist die Gesamtenergiemenge immer gleich , wenn sie von einem Typ zu einem anderen transformiert und von einem Objekt zu einem anderen übertragen wird . Es ist eine der elementaren Eigenschaften des Universums.

In der Thermodynamik wird das Energiekonzept erweitert, um andere beobachtete Änderungen zu berücksichtigen, und das Prinzip der Energieerhaltung wird um eine Vielzahl von Arten der Interaktion von Systemen mit ihrer Umgebung erweitert. Die Energie eines geschlossenen Systems kann nur durch Energieübertragung durch Arbeit oder Wärme verändert werden . Basierend auf den Experimenten von Joule und anderen ist ein grundlegender Aspekt des Energiekonzepts, dass Energie erhalten bleibt. Dieses Prinzip ist als  erster Hauptsatz der Thermodynamik bekannt . Der erste Hauptsatz der Thermodynamik kann in verschiedenen Formen geschrieben werden:

In Worten:

Gleichungsform:

∆E _int = Q – W.

Dabei steht E _int für die innere Energie des Materials, die nur vom Zustand des Materials (Temperatur, Druck und Volumen) abhängt . Q ist die Netto-Wärmezufuhr an das System und W ist das Netz durch geleistete Arbeit das System. Wir müssen vorsichtig und konsequent sein, wenn wir die Vorzeichenkonventionen für Q und W befolgen. Da W in der Gleichung die vom System geleistete Arbeit ist, ist W negativ und E _int nimmt zu , wenn am System gearbeitet wird.

In ähnlicher Weise ist Q positiv für die dem System zugeführte Wärme. Wenn also Wärme das System verlässt, ist Q negativ. Dies sagt uns Folgendes: Die interne Energie eines Systems steigt tendenziell an, wenn Wärme vom System absorbiert wird oder wenn positive Arbeit am System geleistet wird. Umgekehrt neigt die interne Energie dazu, abzunehmen, wenn das System Wärme verliert oder wenn negative Arbeiten am System ausgeführt werden. Es muss hinzugefügt werden, dass Q und W pfadabhängig sind, während E _{int pfadunabhängig} ist.

Differentialform:

dE _int = dQ – dW

Die interne Energie E _int eines Systems nimmt tendenziell zu, wenn Energie als Wärme Q hinzugefügt wird, und nimmt tendenziell ab, wenn Energie als vom System geleistete Arbeit W verloren geht.

Energiequellen

Energiequellen haben immer eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft gespielt. Seit der industriellen Revolution ist die Energie eine treibende Kraft für die moderne Zivilisationsentwicklung. Die technologische Entwicklung und der Verbrauch von Primärenergie sowie die Zunahme der Weltbevölkerung hängen voneinander ab. In den letzten 20 Jahren hat sich die Welt um uns herum erheblich verändert. Technologie ist zu einem der Haupttreiber der wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung geworden. Der rasche Fortschritt der Informationstechnologie (IT) auf der ganzen Welt hat nicht nur unser Denken, sondern auch unser Handeln verändert. Es ist zu beachten, dass praktisch alle Technologien mit elektrischer Energie betrieben werden und daher der Anteil von Elektrizität schnell und schneller zunimmt alsGesamte Primärenergieversorgung (TPES – die Summe aus Produktion und Importen abzüglich Exporte und Speicheränderungen).

Derzeit sind fossile Brennstoffe nach wie vor die weltweit vorherrschende Energiequelle, und ihre Gewinnung, Produktion und Nutzung werden ungeachtet der neuen Technologien zur Verbesserung ihrer Nutzung und Gewinnung nicht als effizient angesehen. Bei der Untersuchung der Energieressourcen müssen wir die primären und sekundären Energiequellen unterscheiden .

Primärenergiequellen

Primärenergie (PE) ist eine in der Natur vorkommende Energieressource, die keinem Umwandlungs- oder Umwandlungsprozess unterzogen wurde. Es ist Energie, die in Rohbrennstoffen enthalten ist , und andere Energieformen, die als Input für ein System empfangen werden. Primärenergiequellen haben viele Formen, einschließlich Kernenergie, fossiler Energie – wie Öl, Kohle und Erdgas – und erneuerbarer Quellen wie Wind, Sonne, Geothermie und Wasserkraft. Diese Primärquellen können in sekundäre Energiequellen umgewandelt werden, sogenannte Energieträger . Primärenergiequellen können unterteilt werden in:

• Nicht erneuerbare Quellen
  • Fossile Brennstoffe
    • Öl
    • Kohle
    • Erdgas
  • Mineralische Brennstoffe
    • Natürliches Uran
    • Natürliches Thorium
• Erneuerbare Ressourcen
  • Solarenergie
  • Windenergie
  • Wasser- und Gezeitenenergie
  • Geothermische Energie
  • Biomasseenergie (wenn nachhaltig genutzt)

Sekundäre Energiequellen – Energieträger

Sekundäre Energiequellen , auch Energieträger genannt , werden aus der Umwandlung von Primärenergiequellen abgeleitet. Sie werden Energieträger genannt, weil sie Energie in nutzbarer Form von einem Ort zum anderen bewegen. Die bekannten Energieträger sind:

• Elektrizität
• Benzin
• Wasserstoff

Strom und Wasserstoff aus Primärenergiequellen wie Kohle, Erdgas, Kernenergie, Erdöl und erneuerbaren Energiequellen. Elektrizität ist besonders nützlich, da sie eine niedrige Entropie aufweist (hoch geordnet ist) und sehr effizient in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Wir können einfach nicht sagen, dass Wasserstoff das Potenzial hat, fossile Brennstoffe auszugleichen.

Sekundäre Energiequellen werden verwendet, da ihre Verwendung einfacher ist als die Verwendung einer primären Energiequelle. Beispielsweise ist die Verwendung von Elektrizität für die Beleuchtung sicherer als die Verwendung von Erdöl in Kerzen oder Petroleumlampen.

Andererseits ist jede Umwandlung von Primärenergie in Energieträger mit einer gewissen Ineffizienz verbunden. Daher müssen wir beim Umgang mit sekundären Energiequellen immer berücksichtigen, wie der Träger hergestellt wurde.