Energie

Energie, Fähigkeit eines physikalischen, biologischen oder technischen Systems, Arbeit zu verrichten. Materie besitzt Energie als Ergebnis ihrer Bewegung oder Lage in Beziehung zu Kräften, die auf sie einwirken. Bei elektromagnetischer Strahlung steht Energie mit Wellenlänge und Frequenz in Beziehung. Die Energie wird bei der Absorption der Strahlung von Materie aufgenommen, oder wird im umgekehrten Fall der Materie entzogen, wenn Strahlung abgegeben wird. Energie, die mit Bewegung in Verbindung steht, bezeichnet man als kinetische Energie oder Bewegungsenergie. Im Gegensatz dazu bezeichnet man die Energie der Lage als potentielle Energie oder Lageenergie. Ein schwingendes Pendel erreicht maximale potentielle Energie an seinen Endpunkten. An allen dazwischen liegenden Punkten hat das Pendel sowohl kinetische als auch potentielle Energie in sich verändernden Anteilen. Energie existiert in verschiedenen Formen, die z. B. die mechanische, thermodynamische, magnetische und elektromagnetische, chemische (siehe chemische Reaktion) und elektrische Energie sowie Strahlungs- und Kernenergie umfassen. Im Prinzip können alle Energieformen durch geeignete Prozesse ineinander umgewandelt werden. Bei den Umwandlungsprozessen können sowohl kinetische als auch potentielle Energie verloren gehen oder gewonnen werden. Die Gesamtenergiebilanz ist jedoch immer gleich.

Das an einer Schnur hängende Gewicht besitzt aufgrund seiner Position über dem Boden eine potentielle Energie und kann im Prinzip beim Herunterfallen Arbeit verrichten. Eine elektrische Batterie besitzt potentielle Energie in chemischer Form, ebenso wie ein Stück Magnesium. Entzündet man das Magnesiumstück, so wird die Energie in Form von Wärme und Licht abgegeben. Beim Abfeuern eines Schusses aus einer Faustfeuerwaffe wird die potentielle Energie des Schießpulvers (siehe Schwarzpulver) in die Bewegungsenergie des fliegenden Geschosses umgewandelt. Die kinetische Energie des laufenden Rotors eines Dynamos wird durch Induktion in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie kann als potentielle Energie oder elektrische Ladung in einem Kondensator oder in einer Batterie gespeichert werden. Sie kann aber auch in Wärme oder in Arbeit umgewandelt werden, die dann beispielsweise ein elektrisches Gerät verrichtet. Alle Energieformen neigen dazu, in Wärme umgewandelt zu werden, die die niedrigste Energieform darstellt. In mechanischen Geräten geht der Energieanteil, der keine nützliche Arbeit verrichtet, in Form von Reibungswärme (siehe Reibung) verloren. Verluste in Stromkreisen sind großenteils Wärmeverluste.

Empirische Beobachtungen im 19. Jahrhundert führten zu dem Schluss, dass Energie zwar umgewandelt, aber nicht erzeugt oder vernichtet werden kann. Dieser Grundsatz der Energieerhaltung stellt eines der grundlegenden Prinzipien der klassischen Mechanik dar. Dieser Grundsatz und das Prinzip des Erhalts von Materie haben nur Gültigkeit, wenn es sich um Erscheinungen in einem Geschwindigkeitsbereich handelt, der im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit klein ist. Bei Geschwindigkeiten, die der Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommen, verlieren diese Grundsätze teilweise ihre Gültigkeit. Hier gelten die Gesetze der Quantenmechanik. In diesen Bereich fallen beispielsweise physikalische Erscheinungen, die man u. a. bei Kernreaktionen beobachten konnte. Bei diesen Prozessen können Materie und Energie ineinander umgewandelt werden (siehe Relativitätstheorie). In der modernen Physik werden auf diese Weise die beiden Konzepte des Erhalts von Energie und Materie miteinander vereint.

Siehe auch Bioenergetik