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Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Was ist die Energie?

Was ist die Energie?

Energie ist eine skalare physikalische Größe. Energie ist ein einzigartiges Maß für verschiedene Formen der Bewegung und Wechselwirkung 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 sein wird, in diesem System gespeichert.

Ein geschlossenes System ist ein System, das keine Energie nach außen austauscht. Diese Aussage nennt man das Gesetz der Energieerhaltung: Energie wird weder erzeugt noch zerstört, sie kann nur umgewandelt werden. Es ist nur möglich, einen Energietyp in einen anderen Energietyp umzuwandeln. Zum Beispiel Kernenergie in elektrischer Energie.

Im Allgemeinen wird Energie mit dem Symbol E bezeichnet. Um die Wärmemenge (die durch Wärmeübertragung übertragene Energiemenge) anzuzeigen, wird im Allgemeinen das Symbol Q verwendet. Um die Arbeit als die übertragene Energiemenge im Allgemeinen 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).

Arten von Energie

Energie kann in verschiedenen Formen präsentiert werden, die sich durch das Prinzip der Energieerhaltung ineinander verwandeln lassen. Wir können daher mehr von unterschiedlichen Energiearten als von ihrem natürlichen Ursprung abhängig sein. In diesem Sinne kann Energie als mechanisch, thermodynamisch, elektromagnetisch und nuklear klassifiziert werden.

Definition von mechanischer Energie

Die mechanische Energie beruht aus makroskopischer Sicht auf den geometrischen und dynamischen Variablen des Systems und entspricht dem einfachsten mathematischen Schema.

Die Definition der mechanischen Energie in einem materiellen Körper 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 umgebenden Kraftfeld abhängt. So würde im Falle des freien Falls die Position durch die Höhe und das Kraftfeld durch die Schwerkraft bestimmt. Die potentielle Dehnungsenergie aufgrund der elastischen Eigenschaften eines deformierten Körpers wie einer zusammengedrückten Feder könnte ebenfalls berücksichtigt werden.

Definition von thermodynamischer Energie

Die Definition von thermodynamischer 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 ist in Bezug auf die Gleichgewichtsposition in ständiger Bewegung, sei es in Rotation, Translation oder Vibration, je nach Temperatur mehr oder weniger intensiv. Unter diesem Gesichtspunkt können wir bestätigen, 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 Schwankungen der Energie zwischen zwei Zuständen des Systems (erstes Prinzip der Thermodynamik) gemessen.

Der Name, der ihm gegeben wird, hängt von der Manifestation dieser Energie oder 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 Erhöhung der Energie, die für das Auftreten einer chemischen Reaktion (Aktivierungsenergie) erforderlich ist, und
  • Resonanzenergie Die Differenz zwischen der theoretischen Formationsenergie und der tatsächlichen Formationsenergie einer resonanten Verbindung (Resonanz).

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

Definition von elektromagnetischer Energie

Die Definition von elektromagnetischer Energie ist Energie, die von der elektromagnetischen Natur der Materie abgeleitet ist.

Elektromagnetische Energie manifestiert sich im Wesentlichen auf zwei Arten: in kinetische Energie umwandelnde elektrische Ladungen, die sich in ihrer Einflusszone befinden - die in Wärme (Joule-Effekt) oder mechanische Energie (Elektromotoren) umgewandelt werden können - oder sich als Strahlungsenergie außerhalb der Medium, in dem es in Form von elektromagnetischen Wellen erzeugt wurde - die dann in Lichtenergie usw. umgewandelt werden können. - oder auch im atomaren Maßstab Trägerpartikel einer bestimmten Energiemenge emittieren, die durch die Planck-Gleichung (photoelektrischer Effekt) bestimmt wird.

Definition von Kernenergie

KernkraftDie letzte Definition von Energie ist Kernenergie. Diese Art von Energie hält die Bestandteile des Atomkerns sehr nahe beieinander. Die Masse eines Atomkerns ist kleiner als die Summe der Massen der Elementarteilchen, aus denen er besteht (Massendefekt). Dieser Massendefekt beruht auf dem Auftreten einer Kohäsionsenergie, die von der Kernstruktur absorbiert wird und mit Einsteins Relativitätstheorie berechnet werden kann.

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

Erneuerbare Energie und nicht erneuerbare Energie

Es gibt auch zwei Definitionen von Energie, die sich auf die Nutzungsform beziehen. In diesem Sinne können wir erneuerbare und nicht erneuerbare Energien unterscheiden. Normalerweise beziehen wir uns auf diese beiden Definitionen, um über die Erzeugung von elektrischem Strom zu sprechen, aber die Verwendung dieser Energiearten dient nicht immer der Stromerzeugung.

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

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. Bei der Kernenergie und insbesondere bei der Kernspaltung kann zwar eine große Menge an Energie pro Einheit Kernbrennstoff gewonnen werden, aber Uran ist eine begrenzte natürliche Ressource, die sich nicht selbst regeneriert.

Wie wird Energie verbraucht? Verwendung und Anwendung von Energie

Die Nutzung von Energie als Arbeitsquelle war schon immer ein wesentliches Bedürfnis des Menschen und einer der grundlegenden Faktoren der modernen wirtschaftlichen Entwicklung und des technischen Fortschritts.

Bis zum Beginn der industriellen Revolution nutzte der Mensch, abgesehen von einzelnen Experimenten, als Energiequelle Muskelkraft, hydraulische Energie und Windenergie für die Herstellung von mechanischer Arbeit und pflanzliche Brennstoffe zur Gewinnung von Wärme. Dies waren bis dahin die einzigen Ressourcen, die zur Energiegewinnung verwendet wurden, obwohl diese Systeme im Laufe der Zeit perfektioniert wurden, um höhere Erträge zu erzielen (rationellerer Einsatz von Tieren, Verbesserung der Segeltechniken, Erfindung des Hydraulikrads, usw.)

Das Entwicklungsprinzip für Energieausnutzungstechniken war das Aussehen der Dampfmaschine und die Umwandlung des Hydraulikrads in eine Turbine. Später gab der Bau der ersten Verbrennungsmotoren den letzten Anstoß zur Gewinnung mechanischer Energie aus Wärme.

Die heute am häufigsten verwendeten Energiequellen sind Wasserfälle, Brennstoffe und Kernspaltung sowie vor allem Sonnen-, Wind-, Geothermie- und Gezeitenenergie.

Die Nutzung der hydraulischen Energie erfordert angemessene topografische und hydrografische Bedingungen sowie den Bau von Behältern und Großmaschinen, um annehmbare Energieerträge zu erzielen (die 80% oder mehr der potentiellen Energie der Wasserkraft erreichen können) Wasser) Generell immer zur Erzeugung von elektrischer Energie.

Die wichtigste Energiequelle sind Brennstoffe, die in den letzten Jahren ein exponentielles Wachstum erfahren haben. Die maximale Leistung ist viel geringer als die mit hydraulischer Energie erzielte, aber die hohe Energiekonzentration erklärt die erhebliche Entwicklung. Die aus den Brennstoffen gewonnene Wärme wird direkt genutzt oder in mechanische Energie (Motoren, Turbinen ...) und auch auf elektrochemischem Wege (Brennstoffzelle) zur Gewinnung elektrischer Energie umgewandelt.

Die dritthäufigste Energieart ist die Kernenergie, die in der Regel durch Spaltung der Kerne von Stoffen wie Uran, Plutonium, Thorium usw. gewonnen wird. Die Technologie der Kernfusionsreaktionen ist dazu noch nicht ausreichend entwickelt ermöglichen eine industrielle Nutzung und werden nur in Versuchslabors und militärischen Anwendungen eingesetzt. Die bei der Kernspaltung gewonnene Energie äußert sich in Form von Wärme und erreicht wesentlich höhere Temperaturen als mit herkömmlichen Brennstoffen. Die derzeit erzielbaren Ausbeuten sind jedoch noch sehr niedrig (in der Größenordnung von 30%). ). Kernkraft findet hauptsächlich Anwendung bei der Erzeugung von elektrischem Strom und beim Antrieb von Schiffen.

Geschichte der Energiestudie

Der Energiebegriff taucht zum ersten Mal in der Forschung von Joule und Carnot zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit und dank der Helmholtzschen Theorie auf, in der die Arbeit eines isothermen Systems mit innerer Energie und Entropie verknüpft wird. 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 über elektrische Energie, chemische Energie und Wärmeenergie sprechen.

Parallel kann gesagt werden, dass, wenn eine bestimmte Menge an Arbeit oder ein äquivalenter Teil dieser Arbeit in einem isolierten physischen System verschwindet, das Teil verschiedener Energieformen ist, dieselbe Menge an Arbeit unter anderen Energieformen gemäß der Definition von erscheinen muss Gesetz der Energieerhaltung.

Als Ergebnis der Untersuchungen von William Thomson und RJE Clausius in der Mitte des s durchgeführt. XIX, der Prozess der Energieverschlechterung wurde offensichtlich, das heißt, dass die nützliche Arbeit, die in einem isolierten System erhalten werden kann, nicht die gesamte Energie konserviert wird, sondern dass ein Teil dieser Energie abgebaut wird (Entropie, zweite Prinzip der Thermodynamik). Später und nach der Theorie von A. Einstein über die Äquivalenz von Masse und Energie (1905) wurde das Erhaltungsprinzip erweitert, und derzeit gibt es keinen Unterschied zwischen der Erhaltung der Masse und der Erhaltung der Energie, die Anlass gibt Die Relativitätstheorie, das Erhaltungsgesetz.

Im Jahr 1900 gab Max Planck die Erklärung für viele Phänomene, die bisher von der Theorie der Energiequanten (Quantenmechanik) nicht geklärt wurden. Dies war der Beitrag eines grundlegenden Konzepts für das Wissen über Energie.

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Geändert am: 10. Februar 2020