Energie
Energie
Energie und Erscheinungsformen
Energie von griechisch energeia, „inneres Wirken“, bezeichnet eine grundlegende physikalische Größe, die innerhalb eines geschlossenen Systems nicht gemindert oder vermehrt werden kann, sondern immer genau erhalten bleibt. Allerdings wandelt sich Energie und hat damit zahlreiche verschiedene Erscheinungsformen, etwa als potenzielle Energie, auch „Lageenergie“ genannt (zum Beispiel Wasser in einem hoch gelegenen Stausee), chemische Energie (zum Beispiel in einem Brennstoff wie Kohle), kinetische oder Bewegungsenergie (zum Beispiel eine rotierende Turbine), thermische und elektrische Energie. Wenn man Einsteins Gedanken zugrunde legt, dass auch Materie eine Erscheinungsform von Energie ist, dann ist Energie gewissermaßen die Grundsubstanz alles Seienden.
Die physikalische Einheit für Energie ist Joule, für elektrische Energie auch Kilowattstunde (kWh).
Die physikalische Lehre von der Energie heißt Thermodynamik. Die drei Hauptsätze der Thermodynamik beschreiben die wesentlichen Eigenschaften von Energie. Sie gelten als Naturgesetze. Gedachte Verstöße gegen die Hauptsätze der Thermodynamik führen zu verschiedenen (irrealen) Konzepten eines „Perpetuum Mobiles“.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, auch Energieerhaltungssatz genannt, verweist darauf, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werden kann.
Der zweiter Hauptsatz der Thermodynamik behandelt die Wandelbarkeit der Energie von einer Form in die andere. Er besagt, dass thermische Energie nicht vollständig in andere Energieformen umgewandelt werden kann. So kann etwa ein kälterer Körper nicht Wärme an einen wärmeren Körper abgeben.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik erklärt, dass der absolute Nullpunkt der Temperatur - Null Grad Kelvin oder minus 273 Grad Celsius - nicht erreicht werden kann.
Energie und Stromerzeugung
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie nicht „erzeugt“ werden, auch wenn die Umgangssprache die Nutzbarmachung von Energie so nennt. Energie ist bereits vollständig vorhanden, und muss „nur“ gewandelt werden, um nach menschlichen Bedürfnissen erschlossen zu werden.
Kraftwerke tun dies, indem sie chemische, thermische, potenzielle oder kinetische Energie in elektrische Energie umwandeln. Manche Kraftwerke kombinieren sogar mehrere Wandlungen.
Ein Kohlekraftwerk etwa wandelt die chemische Energie des Ausgangsstoffes Kohle in Wärmeenergie, indem es Kohle verbrennt. Die thermische Energie wird in kinetische Energie gewandelt, indem Wasser erhitzt, verdampft, und als Antrieb für eine Dampfturbine genutzt wird. Die kinetische Energie der Dampfturbine schließlich wird im Generator in elektrische Energie gewandelt. Damit finden in einem Kohlekraftwerk nicht weniger als drei Energiewandlungen hintereinander statt.
Kern- und Fusionskraftwerke wandeln einen kleinen Teil der in der Materie Uran selbst „gespeicherten“ Energie in thermische, dann elektrische Energie, Wasserkraftwerke wandeln die Lageenergie von Wasser in kinetische, dann elektrische Energie, und so weiter.
Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist klar, dass diese Umwandlungen nicht ohne Verlust an nutzbarer Energie geschehen können. Die Verluste an Energie, also das Abgeben von Energie an die Umgebung (physikalisch ausgedrückt die Zunahme von Entropie), sind je nach gewandelter Energieform unterschiedlich. Elektrische Energie kann beispielsweise durch einen Elektromotor nahezu verlustfrei in Bewegungsenergie umgewandelt werden. Für andere Energieformen gelten jedoch Höchstgrenzen, die sich in maximalen theoretischen Wirkungsgraden von Kraftwerken ausdrücken. Der Wirkungsgrad eines Kraftwerks ist das Verhältnis von verbrauchter Ausgangsenergie zu erzielter Nutzenergie. Thermische Kraftwerke können also aufgrund eines Naturgesetzes niemals einen Wirkungsgrad von 100% erreichen.
