Energieumwandlungen
Energie ist eine Zustandsfunktion, die am besten als die Fähigkeit definiert ist, Arbeit zu verrichten oder Wärme zu erzeugen. Es gibt viele Formen von Energie (z. B. Strahlungsenergie, kinetische Energie, potenzielle Energie usw.), von denen jede in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Der Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtenergie des Universums fest ist und dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann.
Energie kann von einer Form in eine andere umgewandelt oder transformiert werden. Die Energieumwandlung wird auch Energiekonversion genannt. Die Einheit des Système International d’Unités (SI) für Energie ist das Joule (J), benannt nach James Joule, der nachwies, dass Arbeit in Wärme umgewandelt werden kann. Das Joule ist die grundlegende Energieeinheit sowohl für Arbeit als auch für Wärme und entspricht der Arbeit, die von einer Kraft von einem Newton durch eine Strecke von einem Meter geleistet wird. Das Joule ist auch gleich 1/4,184 einer Kalorie. Energie wird oft als Kalorie (cal) ausgedrückt, die die Wärmemenge ist, die benötigt wird, um die Temperatur von einem Gramm Wasser um ein Grad Celsius bei einem Druck von einer Atmosphäre zu erhöhen. Eine Kalorie entspricht 4,184 Joule. Die Kalorie (Cal; auch Kilokalorie genannt), die verwendet wird, um die Energie in Lebensmitteln auszudrücken, entspricht 1.000 Kalorien.
Kinetische Energie ist die Energie eines Objekts in Bewegung und wird durch die Newtonsche Formel 1/2mv2 (wobei m gleich Masse in kg und v gleich Geschwindigkeit in Meter/Sekunde ist) beschrieben. Ein in Bewegung befindliches Objekt kann ein anderes Objekt dazu veranlassen, Arbeit zu verrichten, indem es mit ihm kollidiert und es dazu bringt, sich um eine bestimmte Strecke zu bewegen. Die kollidierenden Objekte können ein Hammer sein, der auf einen Nagel einschlägt, oder zwei Atome, die in einer chemischen Reaktion zusammenstoßen. Beispiele für kinetische Energie sind mechanische Energie (verursacht durch die Bewegung von Teilen) und thermische Energie (verursacht durch die zufällige Bewegung von Teilchen der Materie). Ein Objekt, das potenzielle Energie besitzt, hat Energie aufgrund seiner Position und wird durch die Newtonsche Gleichung PE=mgh beschrieben (wobei m die Masse in kg, g die Erdbeschleunigung – etwa 9,8 m/s2 in der Nähe der Erdoberfläche – und h die Höhe in Metern ist). Zu irgendeinem Zeitpunkt wurde an diesem Objekt Arbeit verrichtet, was zu einer Energiespeicherung führte. Ein Beispiel für die Verrichtung von Arbeit an einem Objekt, um ihm potenzielle Energie zu verleihen, ist das Anheben eines Körpers gegen die Gravitationskraft der Erde. Beim Anheben gewinnt der Körper potenzielle Energie, die beim Fallen des Körpers in kinetische Energie umgewandelt wird.
Ein weiteres Beispiel für potenzielle Energie ist Wasser in einem Hochbehälter. Wenn man Wasser auf ein Rad fallen lässt und das Rad sich dreht, kann man das sich drehende Rad zur Stromerzeugung nutzen. Das Wasser im Tank hat potenzielle Gravitationsenergie. Die potentielle Energie des Wassers wird in mechanische Energie des Rades umgewandelt, die dann weiter in elektrische Energie umgewandelt wird.
Im Jahr 1845 führte Joule ein Experiment durch, das die Energieumwandlung sowohl qualitativ als auch quantitativ demonstrierte. Das Experiment war nicht kompliziert – er stellte ein Schaufelrad in einen Tank mit Wasser und maß die Temperatur des Wassers. Er ließ das Rad im Wasser eine Zeit lang kurbeln und las dann die Temperatur erneut ab. Er fand heraus, dass die Temperatur des Wassers anstieg, wenn er das Schaufelrad drehte. Joule quantifizierte diese Beobachtung und entdeckte, dass immer die gleiche Menge an Energie benötigt wurde, um die Temperatur des Wassers um ein Grad zu erhöhen. Er entdeckte auch, dass es sich dabei nicht um mechanische Energie handeln musste; es konnte Energie in jeder Form sein. Er erhielt die gleichen Ergebnisse mit elektrischer oder magnetischer Energie wie mit mechanischer Energie. Joule’s Experimente zeigten, dass verschiedene Formen von Energie gleichwertig sind und von einer Form in eine andere umgewandelt werden können.
Interessanterweise, so drückte es Joule aus, ist die Energie, die benötigt wird, um ein Pfund Wasser um ein Grad auf der Fahrenheit-Skala zu erhöhen, gleich der Energiemenge, die ein Gewicht von 890 Pfund erhält, nachdem es einen Fuß im Gravitationsfeld der Erde gefallen ist.
Diese Beobachtungen führten zu dem, was heute als „Gesetz der Erhaltung der Energie“ bezeichnet wird. Dieses Gesetz besagt, dass jedes Mal, wenn Energie zwischen zwei Objekten übertragen oder von einer Form in eine andere umgewandelt wird, keine Energie entsteht und keine zerstört wird. Die Gesamtenergiemenge, die an dem Prozess beteiligt ist, bleibt gleich.
Die meisten chemischen Reaktionen beinhalten Energieumwandlungen. Eine chemische Reaktion ist einfach der Prozess, bei dem Bindungen zwischen Atomen gebrochen und neue hergestellt werden.
Das ultimative Beispiel für eine Energieumwandlung ist die Strahlungsenergie der Sonne . Die gesamte Energie auf der Erde stammt von der Sonne, von Energie, die bei der Entstehung der Erde übrig geblieben ist (in der Regel thermische Energie, die durch den Gravitationskollaps der Materie entsteht), oder von Energie, die aus dem Kernzerfall im Erdinneren stammt). Die thermische Energie im Erdinneren treibt die Plattentektonik an, und an der Oberfläche wird die Strahlungsenergie der Sonne von Pflanzen durch den Prozess der Photosynthese in chemische Energie umgewandelt. Diese chemische Energie wird in Form von Zuckern und Stärke gespeichert. Wenn diese Pflanzen von Tieren gefressen werden (d. h. als Teil der Nahrungskette), wird diese chemische Energie entweder in eine andere Form von chemischer Energie (Fette oder Muskeln) umgewandelt oder für mechanische oder thermische Energie genutzt. Was die fossilen Brennstoffe betrifft, so stammen die in der heutigen Zeit verwendeten Brennstoffe aus der Umwandlung von Sonnenenergie über Millionen von Jahren.
Siehe auch Erde (Planet); Erde, innere Struktur; Erdbeben; K-T-Ereignis; Erdrutsch; Massenbewegung; Radioaktivität