Was ist Energie in der Physik? (mit Formel & Beispielen)

Sie verwenden das Wort Energie wahrscheinlich ständig in Ihrem Alltag, aber was bedeutet es wirklich? Auf welche physikalische Größe kommst du, wenn du Dinge sagst wie „Ich habe heute einfach nicht die Energie“ oder „Diese Kinder müssen etwas Energie verbrennen“?

Die umgangssprachliche Verwendung des Wortes gibt Ihnen vielleicht ein erstes Gefühl dafür, was Energie ist, aber in diesem Artikel werden Sie es tun Erfahren Sie, wie Physiker Energie definieren, lernen Sie die verschiedenen Arten von Energie kennen und sehen Sie sich einige Beispiele entlang der Weg.

Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten oder Veränderungen zu bewirken. Es ist anders als eine Kraft. Eine Kraft ist das, was die Veränderung verursacht, während man sich Energie als den Impuls hinter der Kraft vorstellen kann. Es braucht Energie, um eine Kraft auszuüben, und das Aufbringen einer Kraft auf ein Objekt überträgt oft Energie darauf.

Die SI-Einheit der Energie ist Joule, wobei 1 Joule = 1 Newton × 1 Meter oder 1 kg⋅m²/s². Andere Einheiten sind Kalorien, Kilokalorien und Kilowattstunden.

Die zwei grundlegendsten Energieformen sindpotenzielle Energieundkinetische Energie. Potenzielle Energie ist gespeicherte Energie, während kinetische Energie Bewegungsenergie ist.

Wissenschaftler unterscheiden normalerweise zwischen makroskopischen und mikroskopischen Versionen dieser Energiearten. Beispielsweise, potenzielle Energie die durch die Schwerkraft oder durch eine komprimierte Feder gespeichert wird, heißtmechanischpotenzielle Energie. Aber Objekte können auch eine andere Art von potentieller Energie haben, die in den Bindungen zwischen Molekülen und zwischen Nukleonen in einem Atomkern gespeichert ist.

Mechanische kinetische Energie ist die Energie aufgrund der Bewegung eines makroskopischen Objekts. Aber in jedem Objekt haben die Moleküle selbst ihre eigenen kinetischen Energien eines anderen Typs.

Die Summe des mechanischen Potentials und der kinetischen Energie eines Objekts wird als seine. bezeichnetmechanische Gesamtenergie. Dies ist nicht dasselbe wie die Gesamtenergie des Objekts, die die Summe aller Formen seiner Energie wäre, einschließlich thermischer, chemischer usw.

Die Art der potentiellen Energie, die in Molekülbindungen gespeichert ist, ist eine Energieform namenschemischEnergie. Energie, die in Atombindungen oder Kernbindungen gespeichert ist, heißtatomarEnergie odernuklearEnergie.

Kinetische Energie, die aufgrund der Schwingungen und Bewegungen von Molekülen auf molekularer Ebene vorhanden ist, wird als bezeichnetThermal-Energie oderHitzeEnergie. Wenn Sie die Temperatur messen, messen Sie die durchschnittliche Menge dieser Art von Energie.

Die häufigsten Arten von mechanischer potentieller Energie, die Sie kennen lernen könnten, sind:

• ​Gravitationspotentiale Energie:Die in einem Objekt gespeicherte Energie basierend auf seiner Position in einem Gravitationsfeld. Zum Beispiel hat eine Kugel, die hoch über der Erde gehalten wird, potentielle Gravitationsenergie. Wenn es losgelassen wird, wird es als Ergebnis fallen.
• ​Elektrische potentielle Energie:Dies ist die Energie, die in einem geladenen Objekt aufgrund seiner Position in einem elektrischen Feld gespeichert ist. Zum Beispiel werden die Elektronen in einem Stromkreis aufgrund der Batterie mit einer bestimmten Menge an elektrischer potentieller Energie ausgestattet. Wenn der Stromkreis angeschlossen ist, führt dies dazu, dass die Elektronen fließen.
• ​Magnetische potentielle Energie:Dies ist Energie, die in einem Objekt mit magnetischem Moment aufgrund seiner Position in einem Magnetfeld gespeichert ist. Denken Sie daran, wenn Sie zwei Knopfmagnete nahe beieinander halten und spüren, wie sie ziehen; Dies liegt an der magnetischen potentiellen Energie.
• ​Elastische potentielle Energie:Dies ist Energie, die in einem elastischen Material gespeichert ist. Ein gedehntes Gummiband hat beispielsweise ebenso Energie gespeichert wie eine komprimierte Feder. Wenn beide losgelassen werden, werden sie sich bewegen.

Mechanische kinetische Energie unterscheidet sich von potentieller Energie dadurch, dass sie mit Bewegung verbunden ist und nur in einer Art vorkommt. Eine einfache Gleichung gibt die kinetische Energie eines beliebigen Masseobjekts anichmit Geschwindigkeit bewegen movingv. Das ist:

Je schneller sich ein Objekt bewegt oder je schwerer es ist, desto mehr kinetische Energie hat es.

Wenn ein Objekt mit potentieller Energie freigesetzt wird und sich frei bewegen kann, beginnt es zu beschleunigen. Dadurch erhöht sich seine kinetische Energie. Gleichzeitig nimmt die potentielle Energie ab. Im Netto bleibt die gesamte mechanische Energie des Objekts konstant (vorausgesetzt, es wirken keine Reibung oder ähnliche Kräfte), es ändert sich nur die Energie.

Im letzten Abschnitt wurde die Gleichung für die mechanische kinetische Energie eingeführt. Es gibt auch Formeln für verschiedene Arten von potentiellen Energien sowie Gleichungen, die den Zusammenhang zwischen Energie und anderen physikalischen Größen beschreiben.

Die potentielle Gravitationsenergie der Masseichin der Höhehaüber der Erde ist:

WoG= 9,8 m/s² ist die Erdbeschleunigung.

Die elektrische potentielle Energie einer Ladungqbei SpannungVist einfach:

Das in einer Quelle gespeicherte potentielle Energie wird gegeben von:

Wokist der Federkonstante (eine Konstante, die von der Steifigkeit der Feder abhängt) undxist der Betrag, um den die Feder komprimiert oder gedehnt wird.

Die Änderung der thermischen Energie (auch bekannt als übertragene Wärmeenergie) wird durch die folgende Gleichung angegeben:

WoQist die Energie,ichist die Masse,cist die spezifische Wärmekapazität undTist die Temperaturänderung in der Einheit Kelvin.

Die physikalische Größe Arbeit (definiert als Produkt aus Kraft und Weg) hat die gleichen Einheiten wie die Energie (J oder Nm). Die beiden Größen Arbeit und kinetische Energie sind über den Satz Arbeit-kinetische Energie verbunden, der besagt, dass das Netz an einem Objekt gleich der Änderung der kinetischen Energie des Objekts ist.

Eine grundlegende Tatsache der Natur ist, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Dies ist zusammengefasst in der Energieerhaltungssatz. Dieses Gesetz besagt, dass die Gesamtenergie eines isolierten Systems konstant bleibt.

Während die Gesamtenergie konstant bleibt, kann sie ihre Form ändern und ändert dies oft auch. Potenzial kann in kinetische Energie umgewandelt werden, kinetische kann in thermische Energie umgewandelt werden und so weiter. Der Gesamtbetrag bleibt aber immer gleich.

Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Gesetz ein isoliertes System vorschreibt. Ein isoliertes System ist ein System, das in keiner Weise mit seiner Umgebung interagieren kann. Das einzige möglicherweise perfekt isolierte System im Universum ist das Universum selbst. Es ist jedoch möglich, viele Systeme auf der Erde herzustellen, die fast isoliert sind (genauso wie es möglich ist, die Reibung vernachlässigbar zu machen, selbst wenn sie nie 0 ist).

Die Energieumwandlung kann auf viele Arten erfolgen, normalerweise dadurch, dass gespeicherte Energie als kinetische Energie oder als Strahlungsenergie freigesetzt wird.

Bei chemischen Reaktionen kann beispielsweise chemische Energie freigesetzt werden. Während einer solchen Reaktion ändert es sich von chemischer potentieller Energie in eine andere Form, die Strahlungsenergie oder Wärmeenergie umfassen kann.

Bei einer Kernreaktion wird Kernenergie freigesetzt. Hier ist Einsteins berühmterE = mc²Gleichung kommt ins Spiel (Energie gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat). Die Masse eines Kerns, der sich aufspaltet, um Energie freizusetzen, wird am Ende um einen durch Einsteins Formel bestimmten Betrag etwas leichter sein. So verrückt es klingt, Masse selbst kann als eine Form potentieller Energie angesehen werden.

Hier auf der Erde verbrauchen Sie wahrscheinlich häufig elektrische Energie. Jedes Mal, wenn Sie in Ihrem Haus ein Licht anmachen oder etwas von einem elektronischen Bildschirm ablesen, wie Sie es jetzt tun, verbrauchen Sie elektrische Energie. Aber woher kommt diese Energie?

Die offensichtliche Antwort sind Batterien oder die Steckdose, aber was ist die eigentliche Hauptquelle?

Bei Batterien wird Energie oft chemisch in einer Batteriezelle gespeichert, aber viele elektronische Geräte erfordern, dass ihre Batterien durch Anschluss an eine Steckdose aufgeladen werden.

Die Energie, die über Stromleitungen in Ihr Haus kommt, stammt irgendwo aus einem Kraftwerk. Kraftwerke haben viele verschiedene Möglichkeiten, Energie zu gewinnen und in elektrische Energie umzuwandeln.

Einige gängige Energiequellen, die von Kraftwerken geerntet und in Strom umgewandelt werden, sind:

• ​Solarenergie:Dies ist Strahlungsenergie, die von der Sonne kommt und von Solarzellen eingefangen werden kann.
• ​Geothermische Energie:Dabei handelt es sich um Wärmeenergie tief im Boden, die dann zur Nutzung auf die Erdoberfläche übertragen werden kann.
• ​Fossile Brennstoffe:Dazu gehören Kohle und Öl, die oft verbrannt werden, um in chemischen Bindungen gespeicherte Energie freizusetzen.
• ​Kernenergie:Kernkraftwerke erzeugen Energie, indem sie Atomkerne zerlegen und die in den Kernbindungen gespeicherte Energie nutzen.
• ​Wasserkraft:Dies ist Energie, die sowohl aus der potentiellen Gravitationsenergie als auch aus der kinetischen Energie in fließendem Wasser stammt.
• ​Windenergie:Zur Gewinnung von Windenergie werden riesige Turbinen eingesetzt. Der Wind dreht die Turbinen und überträgt seine Energie auf sie.

Erinnern Sie sich noch am Anfang dieses Artikels, wo die Sätze „Ich habe heute einfach nicht die Energie“ und „Diese Kinder müssen etwas Energie verbrennen“ erwähnt wurden? Der Mensch verbraucht ständig Energie, nicht nur von seinen elektronischen Geräten. Sowohl die großen Bewegungen Ihres Körpers als auch die kleinen Prozesse in Ihrem Körper benötigen Energie.

Laufen, Wandern, Schwimmen oder auch nur das Zähneputzen kostet Energie. Erinnern Sie sich an kinetische Energie? Wenn Sie sich bewegen, tun Sie dies über kinetische Energie. Diese Energie muss irgendwo herkommen.

Viele unsichtbare Prozesse, die in Ihrem Körper ablaufen, benötigen ebenfalls Energie, wie zum Beispiel Atmung, Blutkreislauf, Verdauung und so weiter.

Woher bezieht der Mensch seine Energie? Essen natürlich! Die Nahrung, die Sie essen, enthält chemische Energie. Wenn diese Nahrung in Ihren Magen gelangt, zersetzt Ihre Magensäure die Nahrung, und sicher Moleküle aus der Nahrung gelangen an all die verschiedenen Stellen in Ihrem Körper, die möglicherweise benötigt werden Energie. Im Bedarfsfall wird dann über eine kleine chemische Reaktion Energie gewonnen.

Wenn Sie nun den ganzen Tag nicht essen und viel herumlaufen, verbrauchen Sie viel Energie und fühlen sich „ausgelaugt“, bis Sie essen und Ihrem Körper mehr von dem geben, was er braucht.