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Grundwissen

Energie und ihre Eigenschaften

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Energieübertragung: Energie kann von einem Körper oder einem System auf einen anderen Körper oder ein anderes System übertragen werden.
  • Energieumwandlung: Energie kann von einer Form in eine ander Form umgewandelt werden.
  • Energieerhaltung: Bei der Energieübertragung oder der Energieumwandlung geht keine Energie verloren und kommt keine Energie hinzu.
  • Energieentwertung: Bei jeder Energieübertragung oder Energieumwandlung wird ein Teil der zu Beginn vorhandenen Energie entwertet.

Nachdem du eine ersten Vorstellung von Energie gewonnen und die wichtigsten Energieformen kennengelernt hast, kannst du jetzt etwas über die wichtigsten Eigenschaften von Energie erfahren.

Diese Eigenschaften verdeutlichen wir dir in den folgenden Beispielen anhand der mechanischen Energieformen Bewegungsenergie, Lageenergie und Spannenergie sowie der inneren Energie. Die Eigenschaften gelten aber genau so auch für alle anderen Energieformen.

Energieübertragung

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Abb. 1 Übertragung von Energie von einem Körper auf einen anderen Körper.

Starte die Animation in Abb. 1. Diese Situation kennst du bestimmt vom Billardspiel. Eine violette Kugel bewegt sich auf eine ruhende grüne Kugel zu. Die beiden Kugeln stoßen zusammen. Die violette Kugel bleibt stehen, dafür bewegt sich nun die grüne Kugel.

Was sagt uns das über die Energie?

  • Vor dem Stoß hat die violette Kugel Bewegungsenergie, die grüne Kugel keine Energie.
  • Nach dem Stoß hat die violette Kugel keine Energie mehr, dafür hat nun die grüne Kugel Bewegungsenergie.

Beim Stoß ist also Bewegungsenergie von der violetten auf die grüne Kugel übertragen worden.

Alle Experimente zeigen, dass nicht nur Bewegungsenergie, sondern Energie in jeder Form von einem Körper oder einem System auf einen anderen Körper oder ein anderes System übertragen werden kann. Wir halten deshalb fest:

Energieübertragung

Energie kann von einem Körper oder einem System auf einen anderen Körper oder ein anderes System übertragen werden.

Energieumwandlung

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Abb. 2 Umwandlung von Energie innerhalb eines Systems

Starte die Animation in Abb. 2. Auch diese Situation kennst du bestimmt vom Trampolinspringen. Die violette Kugel fällt nach unten und wird dabei immer schneller. Irgendwann trifft die Kugel auf das Trampolin, das sich immer weiter durchbiegt und die Kugel so lange bremst, bis sie zur Ruhe kommt.

Was sagt uns das über die Energie?

  • Zuerst hat die Kugel nur Lageenergie.
  • Während des Fallens verringert sich die Lageenergie, dafür nimmt die Bewegungsenergie der Kugel zu.
  • Während des Aufpralls auf das Trampolin verringert sich die Lageenergie weiter, aber auch die Bewegungsenergie wird geringer; dafür vergrößert sich die Spannenergie des Trampolins.
  • Am Ende hat nur noch das Trampolin Spannenergie.

Während des Fallens und des Aufpralls ist also Lageenergie in Bewegungsenergie und diese später in Spannenergie umgewandelt worden.

Alle Experimente zeigen, dass nicht nur mechanische Energie, sondern Energie in jeder Form in eine andere Form umgewandelt werden kann. Wir halten deshalb fest:

Energieumwandlung

Energie kann von einer Energieform in eine andere Energieform umgewandelt werden.

Energieerhaltung

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Abb. 3 Erhaltung von Energie in einem abgeschlossenen System

Starte die Animation in Abb. 3. Du siehst wieder die Situation wie beim Trampolinspringen, nun aber eine Vielzahl von Sprüngen. Die violette Kugel fällt nach unten, trifft auf das Trampolin, das sich immer weiter durchbiegt und die Kugel so lange bremst, bis sie zur Ruhe kommt. Dann katapultiert das Trampolin die Kugel wieder nach oben, bis sie in der ursprünglichen Höhe zur Ruhe kommt.

Was sagt uns das über die Energie?

  • Zuerst hat die Kugel nur Lageenergie.
  • Diese Lageenergie wird über Bewegungsenergie und Spannenergie schließlich wieder in Lageenergie umgewandelt.
  • Am Ende hat die Kugel nur noch Lageenergie.

Da sich die Kugel am Ende der Bewegung auf der gleichen Höhe wie zu Beginn befindet, ist also am Ende genau so viel Lageenergie vorhanden wie zu Beginn.

Alle Naturwissenschafler glauben daran, dass bei der Energieübertragung und der Energieumwandlung keine Energie verloren geht, aber auch keine Energie hinzukommt, so lange nicht von außen in die Vorgänge eingegriffen wird. Wir halten deshalb fest:

Energieerhaltung

Bei der Energieübertragung oder der Energieumwandlung geht keine Energie verloren und kommt keine Energie hinzu.

Energieentwertung

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Abb. 4 Entwertung von Energie

Die Energieerhaltung widerspricht unserer Alltagserfahrung: Ein titschender Flummi springt nie mehr so hoch wie beim ersten Loslassen und bleibt irgendwann auf dem Boden liegen - wo ist die Lageenergie geblieben? Eine rollendes Skateboard bleibt irgendwann stehen - wo ist die Bewegungsenergie geblieben?

Auch wenn man es nur schwer glauben kann: mit einer Wärmebildkamera erkennt man, dass der Boden, der Flummi, die Rollen des Skateboards und die Straße ein klein wenig wärmer geworden sind: Lage- und Bewegungsenergie haben sich in innere Energie / Wärmeenergie umgewandelt und sind teilweise auf Boden, Rollen und Straße übertragen worden. Da wir mit dieser inneren Energie wenig anfangen können sagen wir, die anfängliche Energie sei "entwertet" worden.

Starte die Animation in Abb. 4. Du siehst wieder eine Vielzahl von Sprüngen beim Trampolinspringen. Nun aber kommt die violette Kugel am Ende eines Sprungs nicht mehr in die ursprüngliche Höhe, sondern kommt bereits ein kleines Stück tiefer zur Ruhe. Gleichzeitig kannst du aber nach wenigen Sprüngen erkennen, dass das Sprungtuch seine Farbe hin zu rot verändert; dies soll eine langsame Erwärmung des Sprungtuches darstellen.

Was sagt uns das über die Energie?

  • Zuerst hat die Kugel Lageenergie.
  • Diese Lageenergie wird im Laufe der Zeit immer weniger, dafür nimmt die innere Energie des Trampolins zu.
  • Am Ende hat nur noch das Trampolin innere Energie.

Die Lageenergie der Kugel zu Beginn wandelt sich also im Laufe der Zeit in innere Energie des Trampolins um und wird dabei "entwertet". Wir halten deshalb fest:

Energieentwertung

Bei jeder Energieübertragung oder Energieumwandlung wird ein Teil der zu Beginn vorhandenen Energie entwertet.