Energieformen und die Einheit Joule

Einstieg

„Ich habe heute keine Energie mehr“, sagst du abends vielleicht. Auf der Stromrechnung steht ein Energiebetrag, auf der Schokoladenpackung auch, und in den Nachrichten geht es um Energiepreise. Das Wort Energie begegnet dir überall. In der Physik hat es eine genaue Bedeutung, und es hat eine Einheit, mit der man Energiemengen vergleichen kann.

Erklärung

Was Energie ist

Energie braucht man, um etwas zu bewegen, anzuheben, zu erwärmen, zu verformen, leuchten zu lassen oder elektrische Geräte zu betreiben. Ein Körper oder ein System, das Energie hat, kann solche Veränderungen bewirken.

• Formelzeichen: $E$
• Einheit: 1 Joule (1 J), benannt nach James Prescott Joule
• 1 Kilojoule (1 kJ) $= 1000$ J, 1 Megajoule (1 MJ) $= 1000\,000$ J

1 J ist wenig. Hebst du eine Tafel Schokolade (100 g) um 1 m an, brauchst du dafür ungefähr 1 J.

Energieformen

Energie kommt in verschiedenen Formen vor. Man erkennt sie daran, wo und wie sie gespeichert ist oder übertragen wird.

Energieform	Wo sie steckt	Beispiel
Bewegungsenergie (kinetische Energie)	in bewegten Körpern	rollender Ball, fahrendes Auto
Lageenergie (Höhenenergie)	in angehobenen Körpern	Wasser im Stausee, Skispringerin oben auf der Schanze
Spannenergie	in verformten elastischen Körpern	gespannter Bogen, zusammengedrückte Feder
thermische Energie (innere Energie)	in jedem Körper, umso mehr, je wärmer er ist	heißer Tee, Heizkörper
chemische Energie	in Stoffen, die bei Reaktionen Energie abgeben	Nahrung, Benzin, Holz, Batterie
elektrische Energie	wird mit dem elektrischen Strom übertragen	Steckdose, Ladekabel
Strahlungsenergie (Lichtenergie)	in Licht und Wärmestrahlung	Sonnenlicht

Manche Bücher sprechen statt von Energieformen von Energieträgern: Der bewegte Ball „trägt“ Energie, das Licht „trägt“ Energie, der Strom „trägt“ Energie. Gemeint ist dasselbe.

Temperatur und innere Energie

Temperatur und thermische Energie sind nicht dasselbe. Eine Badewanne mit Wasser von 40 °C enthält viel mehr thermische Energie als eine Tasse Tee mit 80 °C, weil sie viel mehr Wasser enthält. Die Temperatur sagt, wie warm etwas ist. Die innere Energie hängt außerdem davon ab, wie viel Stoff vorhanden ist.

Typische Größenordnungen

Vorgang oder Vorrat	Energie (ungefähr)
Tafel Schokolade 1 m anheben	1 J
ein Apfel (100 g) fällt 2 m tief vom Baum	2 J
1 Liter Wasser von 20 °C zum Kochen bringen	335 kJ
100 g Vollmilchschokolade (Nährwertangabe)	2300 kJ
Tagesbedarf eines Jugendlichen an Nahrung	10 000 kJ = 10 MJ
1 Liter Benzin	32 MJ

Beispiele

Beispiel 1: Energieformen bestimmen

Ein Skateboarder steht oben auf einer Rampe und fährt hinunter. Oben hat er Lageenergie. Unten ist er schnell, er hat Bewegungsenergie. Durch Reibung werden Rollen und Rampe ein wenig wärmer, das ist thermische Energie.

Beispiel 2: Einheiten umrechnen

$2300\,\text{kJ} = 2300 \cdot 1000\,\text{J} = 2\,300\,000\,\text{J} = 2{,}3\,\text{MJ}$.

Beispiel 3: Vergleichen

Wie oft könnte man mit der Energie aus 100 g Schokolade (2300 kJ) die Tafel 1 m hoch heben, wenn alles genutzt würde? $\frac{2\,300\,000\,\text{J}}{1\,\text{J}} = 2\,300\,000$-mal. Der Körper nutzt aber nur einen Teil der Nahrungsenergie für Bewegung, der Rest wird zu Wärme. Die Rechnung zeigt nur die Größenordnung.

Merksatz

Energie ist nötig, um Körper zu bewegen, anzuheben, zu erwärmen oder Geräte zu betreiben. Ihr Formelzeichen ist $E$, ihre Einheit 1 J. Energie kommt in verschiedenen Formen vor, zum Beispiel als Bewegungs-, Lage-, Spann-, thermische, chemische, elektrische und Strahlungsenergie.

Übungen

Grundlagen

1. Nenne zu jeder Energieform ein eigenes Beispiel aus dem Alltag.
2. Rechne um: a) 4,5 kJ in J, b) 32 MJ in kJ, c) 750 J in kJ.
3. Welche Energieformen hat ein Flugzeug in 10 km Höhe?

Weiter

4. Erkläre, warum ein Eisberg mehr innere Energie haben kann als eine Tasse heißer Kakao.
5. Ordne nach der Energiemenge: Apfel fällt vom Baum, 1 Liter Benzin, Tagesbedarf an Nahrung, 1 Liter Wasser zum Kochen bringen.
6. Auf einer Müslipackung stehen 1550 kJ pro 100 g. Wie viel Energie liefert eine Portion von 40 g?

Knobeln

7. Ein Mensch braucht am Tag etwa 10 MJ. Wie viele Liter Benzin entsprechen dieser Energie ungefähr?
8. Ein Gummiball wird fallen gelassen, springt mehrmals und bleibt dann liegen. Beschreibe, in welchen Formen die Energie nacheinander vorliegt. Wo ist sie am Ende?

Lösungen

1. Zum Beispiel: Bewegungsenergie: fahrendes Fahrrad. Lageenergie: Buch oben im Regal. Spannenergie: gespanntes Gummiband. Thermische Energie: warme Suppe. Chemische Energie: Brot. Elektrische Energie: Strom aus der Steckdose. Strahlungsenergie: Licht einer Lampe.
2. a) 4500 J, b) 32 000 kJ, c) 0,75 kJ.
3. Lageenergie (es ist hoch oben), Bewegungsenergie (es fliegt schnell), chemische Energie (im Treibstoff), außerdem thermische Energie.
4. Die innere Energie hängt nicht nur von der Temperatur ab, sondern auch von der Menge des Stoffes. Ein Eisberg hat eine riesige Masse. Obwohl er kalt ist, steckt in ihm insgesamt mehr innere Energie als im wenigen, heißen Kakao.
5. Apfel (2 J) < Wasser kochen (335 kJ) < Tagesbedarf (10 MJ) < Benzin (32 MJ).
6. $1550\,\text{kJ} \cdot \frac{40}{100} = 620\,\text{kJ}$.
7. $\frac{10\,\text{MJ}}{32\,\text{MJ}} \approx 0{,}3$, also etwa ein Drittel Liter.
8. Oben: Lageenergie. Beim Fallen wird sie zu Bewegungsenergie. Beim Aufprall wird der Ball verformt: Spannenergie. Er springt hoch, Spannenergie wird wieder zu Bewegungs- und dann Lageenergie. Bei jedem Sprung wird ein Teil zu thermischer Energie von Ball, Boden und Luft, und es entsteht Schall. Am Ende ist die ganze Energie als thermische Energie in der Umgebung verteilt.