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Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Was ist Energie?

Energie ist die Fähigkeit der Materie, Arbeit in Form von Bewegung, Licht, Wärme usw. zu produzieren.  Energie ist eine skalare physikalische Größe und kann in vielen Formen auftreten.

Was ist Energie?

Energie ist ein einzigartiges Maß für verschiedene Formen der Bewegung und Interaktion von Materie, ein Maß für den Übergang von Materie von einer Form zur anderen. Die Einführung des Energiekonzepts ist wichtig, denn wenn das physikalische System geschlossen ist, wird seine Energie während der Zeit, in der das System geschlossen wird, in diesem System gespeichert.

Energie wird normalerweise mit dem Symbol E bezeichnet. Um die Wärmemenge (die durch Wärmeübertragung übertragene Energiemenge) anzuzeigen, wird im Allgemeinen das Symbol Q verwendet. Um Arbeit als die im Allgemeinen übertragene Energiemenge zu bezeichnen Das Symbol W wird verwendet. Das Symbol U wird im Allgemeinen verwendet, um die innere Energie des Körpers anzuzeigen (der Ursprung des Symbols muss angegeben werden).

Das elektrische Feld  ist das Feld, das von einem elektrisch geladenen Objekt erzeugt wird. Dieses Feld erzeugt eine Kraft, die auf andere Objekte wirkt, die ebenfalls elektrisch geladen sind.

"Energie wird weder erzeugt noch zerstört": das Gesetz der Energieerhaltung.

Das Energieerhaltungsgesetz besagt: "Energie wird weder erzeugt noch zerstört" , sie kann nur umgewandelt werden. Es ist nur möglich, einen Energietyp in einen anderen Energietyp umzuwandeln.

Ein geschlossenes System ist ein System, das keine Energie mit der Außenseite austauscht. Daher bleibt in einem geschlossenen System die Gesamtenergiemenge immer konstant. 

Beispielsweise ist Kernenergie in elektrische Energie ein klares Beispiel für die Energieumwandlung. Elektrische Energie wird nicht erzeugt, sondern ist eine Umwandlung von Kernenergie in Elektrizität.

In der Thermodynamik bildet es das erste Prinzip der Thermodynamik (den ersten Hauptsatz der Thermodynamik).

Was sind die Arten von Energie?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, verschiedene Arten von Energie zu klassifizieren. Die wichtigsten Arten von Energie sind wie folgt:

  • Nuklear. Es wird aus den Kernen der Atome erhalten.
  • Mechanik Es kann potentiell und kinetisch sein. Es hängt von der Position und Geschwindigkeit eines Körpers ab.
  • Thermodynamik . Dieser Typ bezieht sich auf die innere Energie eines thermodynamischen Systems.
  • Elektromagnetisch . Elektromagnetische Energie wird aus der elektromagnetischen Natur der Materie abgeleitet.
  • Elektrisch . Bezogen auf die Bewegung von Elektronen in einem Leiter.
  • Magnetisch . Magnetische Energie ist die Energie, die in einem Magnetfeld erzeugt wird.
  • Sonora . Schallenergie hängt mit Schall und seiner Ausbreitung durch Wellen zusammen.
  • Chemie . Es wird  in den Bindungen chemischer Verbindungen gespeichert.

Energie kann in verschiedenen Formen dargestellt werden, die aufgrund des Prinzips der Energieeinsparung ineinander umgewandelt werden können. Daher können wir mehr über verschiedene Arten von Energie sprechen, abhängig von ihren Auswirkungen als von ihrer natürlichen Herkunft.

Woraus besteht die Kernenergie?

Was ist Energie?Die Kernenergie ist die Energie , die die Bestandteile des Atomkerns zusammenhält . Diese Komponenten sind Protonen und Neutronen.

Die Masse eines Atomkerns ist kleiner als die Summe der Massen der Elementarteilchen, aus denen er besteht (Massendefekt). Dieser Massendefekt ist auf das Auftreten einer von der Kernstruktur absorbierten Kohäsionsenergie zurückzuführen, die mit Einsteins Relativitätstheorie berechnet werden kann.

Diese Energie kann in Form von Strahlungsenergie und kinetischer Energie von den Partikeln freigesetzt werden, die aus dem Kern ausgestoßen werden.

Was ist mechanische Energie?

Die mechanische Energie beruht aus makroskopischer Sicht auf den geometrischen und dynamischen Variablen des Systems und reagiert auf das einfachste mathematische Schema.

Die Definition der mechanischen Energie in einem Materialkörper konstanter Masse (m) ist die Summe seiner kinetischen Energie und seiner potentiellen Energie. Die kinetische Energie ist proportional zur Geschwindigkeit des Körpers, während die potentielle Energie von der Position des Körpers im Kraftfeld abhängt, das ihn umgibt.

Im Falle eines freien Falls würde die Position somit durch die Höhe und das Kraftfeld durch die Schwerkraft bestimmt. Man kann auch die potentielle Energie der Verformung aufgrund der elastischen Eigenschaften eines verformten Körpers wie einer zusammengedrückten Feder berücksichtigen.

Woraus besteht thermodynamische Energie?

Die Definition der thermodynamischen Energie ist aus molekularer Sicht sinnvoll. Unter Berücksichtigung der thermodynamischen Variablen können wir die innere Energie U eines Systems als die Summe der kinetischen Energien der Moleküle, aus denen es besteht, und der potentiellen Energie der Kräfte zwischen ihnen definieren.

Jedes der Atome oder Moleküle eines Körpers oder einer Substanz befindet sich in kontinuierlicher Bewegung, entweder in Rotation, Translation oder Vibration, in Bezug auf die Gleichgewichtsposition, die je nach Temperatur mehr oder weniger intensiv ist. Unter diesem Gesichtspunkt können wir sagen, dass Wärmeenergie der kinetischen Energie von Molekülen entspricht, wie sie von L. Boltzmann in seiner kinetischen Theorie der Gase formuliert wurde.

Interne Energie ist keine absolut messbare Größe, sondern es werden nur die Energievariationen zwischen zwei Zuständen des Systems gemessen (erstes Prinzip der Thermodynamik).

Der Name hängt von der Manifestation dieser Energie oder von der Art des Phänomens ab, das sie erzeugt. Wir definieren

  • Bindungsenergie oder Bildungsenergie die Differenz zwischen der Energie eines Moleküls und der der Atome, die es bilden (Bindung),
  • Dissoziationsenergie die Energie, die bei der Dissoziation einer Verbindung freigesetzt wird,
  • Aktivierungsenergie die Zunahme der Energie, die für das Auftreten einer chemischen Reaktion erforderlich ist (Aktivierungsenergie) und
  • Resonanzenergie die Differenz zwischen der theoretischen Formationsenergie und der tatsächlichen Formationsenergie einer Resonanzverbindung (Resonanz).

Freie Energie bezieht die Variation der inneren Energie (U) oder Enthalpie (H) mit der Variation der Entropie (S) eines Systems und dient dazu anzugeben, in welche Richtung sich das System spontan entwickeln wird (Affinität).

Was ist elektromagnetische Energie?

Definition von elektromagnetischer Energie: Dies ist die Energie, die aus der elektromagnetischen Natur der Materie abgeleitet wird.

Elektromagnetische Energie manifestiert sich im Wesentlichen auf zwei Arten: Umwandlung in kinetische Energie aus den elektrischen Ladungen, die sich in ihrer Einflusszone befinden - die in Wärme (Joule-Effekt) oder mechanische Energie (Elektromotoren) umgewandelt werden können - oder Ausbreitung als Strahlungsenergie aus der Medium, in dem es in Form von elektromagnetischen Wellen erzeugt wurde, die dann in Lichtenergie usw. umgewandelt werden können. - oder auch auf atomarer Ebene Partikel emittieren, die eine bestimmte Energiemenge tragen, die durch die Planck-Gleichung bestimmt wird (photoelektrischer Effekt).

Was bedeuten erneuerbare und nicht erneuerbare Energien?

Es gibt auch zwei Definitionen von Energie, die sich auf die Nutzungsform beziehen. In diesem Sinne können wir unterscheiden:

  • erneuerbare Energie
  • nicht erneuerbare Energie

Wir beziehen uns normalerweise auf diese beiden Definitionen, um über die Erzeugung elektrischer Energie zu sprechen, aber die Verwendung dieser Arten von Energie dient nicht immer der Erzeugung von Elektrizität.

Erneuerbare Energie ist Energie, die aus unerschöpflichen Quellen stammt. Einige Beispiele für diese Art von Energie sind Solarenergie (Photovoltaik und Wärme), Windenergie und Hydraulik.

Nicht erneuerbare Energie ist Energie, die aus begrenzten Quellen stammt. Bei nicht erneuerbaren Energien ist der Verbrauch dieser Art von Energie höher als ihre Regenerationskapazität. Einige Beispiele für diese Art von Energie sind unter anderem fossile Brennstoffe (Kohle, Öl und Erdgas) und Kernenergie.

Im Fall der Kernenergie und insbesondere bei der Kernspaltung ist Uran eine begrenzte natürliche Ressource, die sich nicht selbst regeneriert, obwohl pro Kernbrennstoffeinheit eine große Energiemenge gewonnen werden kann.

Wie wird es verwendet? Häufigste Verwendungen und Anwendungen

Die Nutzung von Energie als Arbeitsquelle war schon immer eine wesentliche Notwendigkeit für den Menschen und einer der grundlegenden Faktoren der modernen wirtschaftlichen Entwicklung und des technischen Fortschritts.

Bis zum Beginn der industriellen Revolution nutzte der Mensch bis auf vereinzelte Experimente Energiequellen, Muskelkraft, hydraulische Energie und Windenergie zur Erzeugung mechanischer Arbeit und pflanzliche Brennstoffe zur Wärmegewinnung.

Bis dahin waren dies die einzigen Ressourcen, die zur Energiegewinnung verwendet wurden, obwohl diese Systeme mit der Zeit perfektioniert wurden, um höhere Erträge zu erzielen (rationellerer Einsatz von Tieren, Verbesserung der Segeltechniken, Erfindung des Hydraulikrads, usw.).

Die heute am häufigsten genutzten Energiequellen sind Wasserfälle, fossile Brennstoffe und Kernspaltung. Weniger wichtig ist, dass Sonnen-, Wind-, Geothermie- und Gezeitenenergie auftreten.

Die Nutzung der hydraulischen Energie erfordert angemessene topografische und hydrografische Bedingungen sowie den Bau von Reservoirwerken und großen Maschinen, um akzeptable Energieerträge zu erzielen (die 80% oder mehr der potenziellen Energie der Energie erreichen können Wasser). Generell immer zur Erzeugung elektrischer Energie.

Dampfmaschine und Wärmekraftmaschinen

Der Beginn der Entwicklung für Energiegewinnungstechniken war das Erscheinen der Dampfmaschine und die Umwandlung des Hydraulikrads in eine Turbine.

Später gab der Bau der ersten Verbrennungsmotoren den letzten Anstoß, mechanische Energie aus Wärme zu gewinnen.

Fossile Brennstoffe

Die wichtigste Energiequelle sind fossile Brennstoffe, die in den letzten Jahren ein exponentielles Wachstum erfahren haben. Die maximale Leistung ist viel geringer als die, die durch hydraulische Energie erzielt wird, aber ihre hohe Energiekonzentration erklärt die beträchtliche Entwicklung, die sie erfahren hat.

Die aus fossilen Brennstoffen gewonnene Wärme wird direkt genutzt oder in mechanische Energie (Motoren, Turbinen ...) und auch zur elektrochemischen Gewinnung elektrischer Energie (Brennstoffzelle) umgewandelt.

Atomkraft

Die dritte Art von Energie, die am häufigsten verwendet wird, ist die Kernenergie , die im Allgemeinen durch Spaltung der Kerne von Substanzen wie Uran, Plutonium, Thorium usw. gewonnen wird. Die Technologie der Kernfusionsreaktionen ist noch nicht ausreichend entwickelt erlauben industrielle Ausbeutung und wird nur in experimentellen Labors und militärischen Anwendungen verwendet.

Die bei der Kernspaltung gewonnene Energie manifestiert sich in Form von Wärme und erreicht Temperaturen, die viel höher sind als bei herkömmlichen Brennstoffen. Die derzeit erzielbaren Ausbeuten sind jedoch immer noch sehr niedrig (in der Größenordnung von 30%) ).

Die Kernenergie findet im Wesentlichen Anwendung bei der Erzeugung elektrischer Energie und beim Antrieb von Schiffen. Die mit diesem System (Kernkraftwerk) gewonnene elektrische Energie ist nur bei großen Reaktoren mit sehr hohen Leistungen mit angemessenen Kosten verbunden.

Geschichte des Studiums der Energie

Der Begriff Energie ergibt sich erstmals aus den Untersuchungen von Joule und Carnot zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit und dank der Helmholtz-Theorie, in der er die Arbeit eines isothermen Systems mit innerer Energie und Entropie verbindet dieses Systems. Auf diese Weise ist Energie nicht nur mit dem Konzept der mechanischen Arbeit verbunden, sondern auch mit elektrischer, chemischer oder kalorischer Arbeit. Aus diesem Grund können wir von elektrischer Energie, chemischer Energie und Wärmeenergie sprechen.

Was ist Energie?Gleichzeitig kann gesagt werden, dass, wenn eine bestimmte Menge an Arbeit in einem isolierten physischen System verschwindet oder ein äquivalenter Teil dieser Arbeit Teil verschiedener Energieformen ist, dieselbe Menge an Arbeit unter anderen Energieformen gemäß der Definition von erscheinen muss Energieeinsparungsgesetz.

Als Ergebnis der Untersuchungen von William Thomson und RJE Clausius in der Mitte des s. XIX, der Prozess der Energieverschlechterung wurde offenbart, das heißt, dass die nützliche Arbeit, die in einem isolierten System erhalten werden kann, nicht die gesamte Energie erhalten bleibt, sondern dass ein Teil dieser Energie abgebaut wird (Entropie, zweite thermodynamisches Prinzip).

Später wurde nach der Theorie von A. Einstein über die Äquivalenz zwischen Masse und Energie (1905) das Erhaltungsprinzip erweitert, und derzeit gibt es keinen Unterschied zwischen Massenerhaltung und Energieerhaltung, was zu einer Entstehung führt die Relativitätstheorie, das Naturschutzrecht.

Im Jahr 1900 erklärte Max Planck viele bisher ungeklärte Phänomene durch die Theorie der Energiequanten (Quantenmechanik), die den Beitrag zu einem grundlegenden Konzept für das Wissen über Energie machte.

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Geändert am: 15. März 2020