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Teil I  Energie-Begriff

Datum:       10.04.2008
aktualisiert: 07.02.2024

Samstag, 17. Februar 2024

 

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Auszug aus der Seite Universität Leipzig : https://home.uni-leipzig.de/energy/energie-grundlagen/index.html

Prof. Dr. Dieter Freude      Prof. Randall Snurr

Vorwort

Der Begriff "Energie" geht auf Aristoteles zurück und ist damit über zweitausend Jahre alt. Aber erst in den vergangenen zwei Jahrhunderten hat er Eingang in unseren Sprachgebrauch gefunden.

Seitdem sind umwälzende Entdeckungen in Naturwissenschaft und Technik mit diesem Wort verbunden. "Energie" ist für die Gesellschaft ein zentrales und die Zukunft bestimmendes Thema geworden.

Oft wird über "Energie" gesprochen, selten werden die Grundlagen des Begriffs erläutert.


Deshalb soll dieses Internet-Portal Basiswissen und einige aktuelle Fakten vermitteln, die für den Gebrauch des Wortes "Energie" hilfreich sind.

Ausgangspunkt der seit 2005 bestehenden Internet-Präsentation waren Vorlesungen, die D.F. von 2001 bis 2019 für Schüler, Studenten und Senioren vorwiegend an der Universität Leipzig gehalten hat.

Auch die Internet-Seiten sind vor allem an naturwissenschaftlich oder technisch interessierte Nutzer adressiert. Wer keine Vorkenntnisse auf diesen Gebieten hat, wird einiges nicht verstehen,

z. B. die Gleichungen zur Ableitung der Einstein'schen Äquivalenz von Energie und Masse. Man kann aber Gleichungen überspringen und sich auf die Erklärungen der Sachverhalte im Text konzentrieren,

die für Jedermann verständlich sein sollen.



Der Energie-Begriff

Der Begriff "Energie" ist erst im 19. Jahrhundert aus der französischen und englischen in die deutsche Sprache übergegangen.

Er hat einen griechischen Ursprung "Enérgeia", zu deutsch "Wirksamkeit". Aristoteles erklärte Enérgeia als die

Wirkkraft, durch die Mögliches in Seiendes übergeht.


Das Wort "Energie" war jedoch bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts im Conversationslexikon Leipzig, 9. Auflage 1848, nicht zu finden.

Obwohl sich der Begriff "Energie" erst im späten 19. Jahrhundert durchsetzte, begann die Begriffsbildung bereits Ende des 17. Jahrhunderts.

Gottfried Wilhelm von Leibniz hat im Jahre 1686 Vorstellungen entwickelt, die unseren heutigen Begriffen von kinetischer und potenzieller mechanischer Energie weitgehend entsprechen.


Das Wort "Energie" ist erstmals 1800 von Young in die Physik eingeführt worden, konnte sich damals aber noch nicht durchsetzen.

Young hat später durch Beugung am Spalt die noch heute gültigen Auffassungen über die Wellennatur des Lichts begründet. Coriolis und Poncelet definierten 1828/29 den Begriff "Arbeit".


Unter Verwendung dieses Begriffs haben in den Jahren 1842 - 1847 Mayer, Joule und Helmholtz jenen fundamentalen Zusammenhang entdeckt und formuliert,

den wir heute als Energiesatz bezeichnen und für die Definition des Begriffs "Energie" in den Naturwissenschaften verwenden:

Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet,

sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden.


Anstelle des Wortes "Energie" verwendeten sie aber die Begriffe "lebendige Kraft", "Spannkraft" oder "Fallkraft".


In den Jahren 1851-1852 haben Thomson (Lord Kelvin) und Rankine schließlich den Begriff "Energie" als für alle Bereiche der Physik gültige Verallgemeinerung eingeführt

und damit alle bis dahin unter Verwendung des Wortes "Kraft" gebräuchlichen Begriffe ersetzt.

1905 begründete Einstein mit der speziellen Relativitätstheorie die allgemeine Äquivalenz von Energie und Masse, siehe Energie und Masse.

Damit wurde der Begriff "Energie" in der Form verallgemeinert, die bis heute in den Naturwissenschaften gültig ist.


Im Brockhaus-Konversations-Lexikon (Leipzig, 14. Aufl. 1893) steht vor der Jahrhundertwende bereits eine halbe Seite über Energie.

Die Ausführungen beginnen mit der Tatkraft, gefolgt von mechanischer Energie, und nennen elektrische Energie am Ende.

Begriffe wie "Energieerzeugung" oder "Erneuerbare Energie" widersprechen dem Energiesatz, nach dem ausdrücklich Energie nicht erzeugt werden kann.

Auch ein "energischer Mensch" wird durch den Energiesatz nicht beschrieben.


Man kann deshalb außerhalb der Naturwissenschaften für "Energie" eine allgemeine Beschreibung in Anlehnung an Aristoteles verwenden:

Energie ist ein Zustand, der die Bereitschaft zur Verrichtung einer Arbeit darstellt.

"Ein Objekt besitzt Energie, wenn es sich selbst oder etwas anderes

schneller oder langsamer machen kann, erwärmen oder verformen kann."


Energiearten
Primärenergie      ist die in noch nicht weiterverarbeiteten Energieträgern enthaltene Energie
Sekundärenergie  ist die durch
Weiterverarbeitung etwa in Kraftwerken oder Raffinerien vorliegende Energie
Endenergie           ist die Energie, die tatsächlich vom
Energieverbraucher verwendet wird

Energieformen
Energie kann in einem System auf unterschiedliche Weise enthalten sein. Diese Möglichkeiten werden Energieformen genannt. Beispiele für Energieformen sind die kinetische Energie, die chemische Energie, die elektrische Energie oder die potentielle Energie. Verschiedene Energieformen können ineinander umgewandelt werden, wobei die Summen der Energiemengen über die verschiedenen Energieformen in  einem abgeschlossenen System vor und nach der Energieumwandlung stets die gleiche sind.

Energieumwandlung
In einem abgeschlossenen System ändert sich die Gesamtmenge der enthaltenen Energie nicht. Dennoch sind nicht alle Energieumwandlungen,  die den Energieerhaltungssatz erfüllen, tatsächlich möglich.
Die meisten Umwandlungen erfolgen nicht vollständig in eine einzige  Energieform, sondern es wird ein Teil der Energie in Wärme gewandelt. Man spricht von
Dissipation. In mechanischen Anwendungen wird die Wärme meist durch Reibung erzeugt. Bei elektrischen Anwendungen sind häufig der elektrische Widerstand oder Wirbelströme die Ursache für die Erzeugung von Wärme. Diese Wärme wird in der Regel nicht genutzt und als Verlust bezeichnet. Im Zusammenhang mit  elektrischem Strom kann auch die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen als unerwünschter Verlust auftreten. Das Verhältnis zwischen erfolgreich umgewandelter Energie und eingesetzter Energie wird Wirkungsgrad genannt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Energie )
 

Wikipedia: Energiewandler zur Stromerzeugung

Auszüge aus verschiedenen Quellen zusammengestell : z.B.: wikipedia, etc.:

Arbeit (Physik)

 Die Definition der mechanischen Arbeit lautet W = F · s oder Arbeit ist gleich Kraft mal Weg (das  Formelzeichen W entsteht aus englisch work).
 Dabei wirkt die Kraft F auf einen Körper, der in Richtung dieser Kraft eine Strecke der Länge s zurücklegt. Wirkt eine Kraft nicht genau parallel zum Weg,
ist für die Berechnung der Arbeit nur die zum Weg parallele Komponente zu berücksichtigen. Diese physikalische Definition entspricht auch der umgangssprachlichen
Bedeutung von mechanischer Arbeit und ist auf alle mechanischen Vorgänge anwendbar, beim gleichzeitigen Einwirken mehrerer Kräfte auch für jede Kraft einzeln.

 

Mechanische Arbeit

 Der mechanische Arbeitsbegriff entwickelte sich aus dem Studium der Kraftübertragung mit Hebeln, Seilen und Rollen. Man beobachtete dabei schon im Altertum,
dass eine bestimmte schwere Last durch verschieden großen Kräfte im Gleichgewicht gehalten werden kann, wenn diese mittels eines Kraftwandlers (Hebel, Flaschenzug oder die schiefe Ebene) auf die Last wirken. Zur Ermittlung der jeweils nötigen Kraft setzte man das Produkt aus der Kraft und der Strecke, die der Angriffspunkt der Kraft bei einem Anheben der Last zurücklegen müsste, mit dem entsprechenden Produkt aufseiten der Last gleich. In moderner Ausdrucksweise setzte man damit die Gesamtarbeit bei einer virtuellen Verschiebung gleich null. Der eigentliche Begriff und Name der mechanischen Arbeit – französisch travail – wurde im Sinne seiner heutigen Definition zuerst von den Franzosen Gaspard Gustave de Coriolis und Jean-Victor Poncelet benutzt und zwar seit 1826 in Publikationen mit dem Ziel, die Funktion technischer Anlagen mit Hilfe der Gesetze der Mechanik genauer zu beschreiben und zu optimieren. Coriolis formulierte dabei als erster eine genaue mathematische Definition der mechanischen Arbeit.[2]

 Als Vorläufer der Begriffsbildung werden auch Descartes und G. W. Leibniz genannt.[3] Leibniz analysierte 1686 auf der Suche nach einem Maß für die „lebendige Kraft“ („vis viva“, heute: kinetische Energie) den freien Fall. Er ging davon aus, dass „tote Kraft“ („vis mortua“, heute Potentielle Energie) sich dabei in lebendige Kraft umwandelt. Die umgewandelte Menge toter Kraft setzte er proportional zur Fallstrecke an, also proportional zur mechanischen Arbeit, die beim Anheben des betreffenden Körpers zu leisten wäre, um die Ausgangssituation des freien Falls wieder herzustellen.[4]

 

Die Leistung

Die Leistung als physikalische Größe bezeichnet die in einer Zeitspanne umgesetzte Energie bezogen auf diese Zeitspanne. Ihr Formelzeichen ist meist (von englisch power), ihre SI-Einheit das Watt mit dem Einheitenzeichen W. Im physikalisch-technischen Zusammenhang wird der Begriff Leistung in verschiedenen Bedeutungen verwendet:

     als installierte oder maximal mögliche Leistung (Kennzeichen eines Gerätes oder einer Anlage; auch Nennleistung genannt)
     als tatsächliche Leistung in einer Anwendung
     die zugeführte Leistung
     die im Sinne der Aufgabenstellung abgegebene Leistung.

 Die Leistungsaufnahme und die für eine bestimmte Anwendung nutzbringende Leistungsabgabe können je nach Wirkungsgrad bzw. Abwärme erheblich voneinander abweichen. Die Leistung ist der Quotient aus verrichteter Arbeit  oder dafür aufgewendeter Energie  und der dazu benötigten Zeit 

 

Enegiebilanz - Diagramme

Enerieumrechnungseinheiten