Energie: kinetische, potentielle, thermische, massive, quantisierte, dunkle ...
Was ist eigentlich Energie?
Notizen zum Vortrag am 15.1.2010, alles etwas vorläufig
Das Jahr 2010 steht unter dem Motto Die Zukunft der Energie. Wir erzeugen,
nutzen und verteilen ständig Energie, wollen sie einsparen und zahlen dafür.
Doch was ist eigentlich Energie genau? Von Newtons Axiomen bis zur berühmten
Einsteinschen Formel E=mc2, von der Energieerhaltung bis hin zur Suche nach
dunkler Energie im Universum wird der Energie-Begriff verwendet. Was ist
Vakuumenergie und wie können wir uns Energiequellen erschließen, wo sie doch
erhalten bleibt? Im Jahr der Energie wird viel von ihr die Rede sein.
Energie ist ein Begriff, der mit vielen Assoziationen
behaftet ist, die bis auf eine der Messung und logischen Bewertung
unzugänglich sind. Dieser Vortrag soll einfach (d.h. im Anschluss an das,
was wir in der Schule dazu lernen), aber so genau wie möglich
darstellen, was bei richtiger Verwendung des Begriffs gemeint ist.
- Vorausgeschickt
- Energie ist eine physikalische Größe, d.h. objektiv und messbar.
Sie ist dazu eine Mengenangabe, die Bilanzen gestattet.
Energie ist die wichtigste Bilanzgröße der Physik. Kennt man die Energie eines Systems in
Abhängigkeit von den Variablen, die seinen momentanen Zustand bestimmen, kann man die
Bewegung des Systems berechnen.
Allerdings:
Was wir subjektiv körperlich als Energie empfinden und bezeichnen, hat damit
nichts zu tun und ist eher eine der Temperatur verwandte Zustandsgröße,
vielleicht besser als Aktionsbereitschaft und -lust zu bezeichnen.
Energie tragen gerade die Trägeren
von uns im Übermaß herum, der Organismus vergräbt sie in Fettzellen
wie ein Eichhörnchen die Nüsse und vergisst sie dort auch,
wenn wir uns zu wenig bewegen.
- Energie benötigen wir im täglichen Leben, um Bewegung in den verschiedensten Formen und Wärme (die in gewissem Sinne ungeordnete molekulare Bewegung ist)
zu erzeugen. Bevor die Energie als Bewegung oder Wärme sichtbar wird,
nennen wir sie potentielle Energie.
- Unter zeitlich konstanten Bedingungen bleibt die Bilanz der Energie unverändert.
Solche konstanten Bilanzen (wir nennen sie Erhaltungssätze) bestimmen die Wahl der
Begriffe, mit denen wir Bewegung beschreiben.
- Bilanzgrößen Impuls und Energie
- Die reinen Geschwindigkeiten haben keine solche Bilanz, auch wenn die Stöße
beim Curling oder Billard dies zu zeigen scheinen. Erst wenn die Geschwindigkeiten
mit der (trägen) Masses gewichtet werden, gibt eine konstante Bilanz. Die
gewichteten Geschwindigkeiten nennt man Impulse. Die Änderung der Bilanz zeigt
die Anwesenheit einer Kraft. Wir setzen
Kraft = Änderung des Impulses pro Zeit
- Das Hebelgesetz: Arbeit ist Kraft mal Weg
Gleichgewicht ist erreicht, wenn bei Positionsänderung
die Bilanz der Produkte aus Kräften und
deren virtuellen Wegen verschwindet.
Wenn etwas in Bewegung gesetzt werden soll, muss diese Bilanz gestört werden.
Das ist dann Energiezufuhr.
- Bewegungsenergie:
Δ Energie = Kraft * Δ Ort = Δ Impuls * Geschwindigkeit
im einfachsten Fall also
2 Ekinetisch = Masse * Geschwindigkeit2
- Das Schwerefeld
- Unser bekanntes Schwerefeld: Energie der Lage
Epotentiell = Masse * Erdbeschleunigung * Höhe.
Beim Pendel setzen sich potentielle und kinetische Energie periodisch ineinander um.
- Warum Sie absenken sollen, wenn Sie lostanzen wollen: 10 cm Absenken liefert die Energie
für eine Bewegung mit 1.4 m/s.
- Potentielle Energie ist Energie, die sich bei fester werdender Bindung in Bewegungsenergie
umsetzen kann (Beispiele chemische Energie, nukleare Energie). Sie tritt also in Erscheinung, wenn das Trägersystem nicht im stabilen Grundzustand ist.
Die Umwandlung in Bewegungsenergie ist nicht so einfach zu steuern:
in diesem Fall äußert sich die Bewegungsenergie als Wärme.
- Kapitän Nemo und die Energie der Weltmeere: Die Wärme der Weltmeere lässt sich
unter Wasser nicht nutzen, wohl aber die Bindungsenergie, die bei der Verschmelzung
des schweren Wasserstoffs zu Helium frei wird. (Wenn eine Bindung gelöst werden soll, muss Energie zugeführt werden.)
- Energie im Universum
- Relativitätstheorie: Energieerhaltung und Erhaltung der Masse sind identisch E = mc2.
Der Nullpunkt der Energie ist bestimmbar, auch wenn die inneren Bewegungen und Bindungen unbekannt oder nicht bestimmbar sind.
- Quantenmechanik: Quanten des harmonischen Oszillators E = hν,
Gesamtenergie E = hν(1/2 + Anzahl der Quanten).
Die Nullpunktsenergie der Felder stiftet auch im Vakuum eine Energie, die wir nur an ihrer Wirkung auf die
Expansion des Universums messen können.
- Für kosmische Objekte liegen Energiereserven in der gravitativen Kondensation und in den
in den in der Frühzeit des Universums oder in Sternexplosionen angeregten nuklearen Zuständen, die aus verschiedenen Gründen
nicht vollständig abgebaut worden sind.
- Konstante Energiebilanzen im expandierenden Universum gibt es nur in der Näherung schneller Vorgänge
(Prozessraten sehr viel größer als die Expansionsrate). Durch die Expansion verlieren alle Komponenten mit positivem Druck Energie, das Vakuum dagegen gewinnt.
- Die kosmische Expansion sorgt deshalb für Entstehung und Aufrechterhaltung von Nichtgleichgewichten
zwischen den Materiekomponenten, die unter Umständen
noch nicht einmal in der Grenze der Ewigkeit abgebaut werden können.
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