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Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Potentielle Energie

Potentielle Energie

Potenzielle Energie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position in einem Kraftfeld besitzt oder die ein System aufgrund der Konfiguration seiner Teile besitzt.

Diese Energieform ist eine skalare Größe, deren  Maßeinheit für das Internationale Einheitensystem das Joule (J) ist.

Diese  Energieform ist mit den auf einen Körper einwirkenden Kräften so verbunden, dass dies nur von der Position des Körpers im Raum abhängt. Diese Kräfte können an jedem Punkt im Raum durch einen Vektor dargestellt werden, der ein sogenanntes Kraftvektorfeld oder Kraftfeld bildet.

Definition

Wenn die Arbeit eines Kraftfeldes, das auf einen Körper wirkt, der sich von einer Startposition in eine Endposition bewegt, nur durch diese beiden Positionen bestimmt wird und daher nicht vom Weg des Körpers abhängt, gibt es eine Funktion, die Energie genannt wird. Potenzial , das an beiden Positionen bewertet werden kann, um den Job zu bestimmen.

Der Begriff potentielle Energie wurde vom schottischen Ingenieur und Physiker William Rankine aus dem 19. Jahrhundert eingeführt, obwohl er mit dem Potentialitätskonzept des griechischen Philosophen Aristoteles verwandt ist.

Welche Arten von potentieller Energie gibt es?

Die häufigsten Arten potenzieller Energie sind:

  • Gravitationspotentialenergie, die von der vertikalen Position und der Masse eines Objekts abhängt.
  • Elastische potentielle Energie einer Feder. Dass die  Energie in einer komprimierten Feder gespeichert ist.
  • Elektrische potentielle Energie einer Ladung in einem elektrischen Feld.
  • Elektrostatische potentielle Energie  .
  • Chemische potentielle Energie.

Was ist potentielle Gravitationsenergie?

Die potentielle Gravitationsenergie ist die potentielle Energie, die ein Objekt durch den Gravitationseffekt eines anderen Objekts gewinnt (normalerweise sehr große Körper, zum Beispiel die Erde, die Sonne). Diese Energie ist direkt proportional zur Masse des Objekts und zur Größe der angezogenen Masse. Die Größe der angezogenen Masse erzeugt die Beschleunigung der Schwerkraft. Diese Beschleunigung für die Welt beträgt ungefähr 9,8 m / s² auf der Erdoberfläche.

Die potentielle Energie der Gravitation entspricht der  Energie, die erforderlich ist, um ein Objekt in einer bestimmten Höhe zu positionieren.

Da es verschiedene Arten von Kräften gibt, gibt es auch verschiedene Arten von potentieller Energie. Potentielle Energie infolge der Schwerkraft.

Zum Beispiel wird es Gravitationsenergie oder potentielle Gravitationsenergie genannt. Für ein Objekt mit der Masse m in Höhe h gilt der folgende Ausdruck für die Gravitationsenergie des Objekts:

E = m · g · h

Wo (in SI-Einheiten):

E - Die potentielle Energie in Joule (J).
m - die Masse in Kilogramm (kg)
h - die Höhe in Metern (m)
g - die Fallbeschleunigung in m / s² (ungefähr 9,81 m / s²)

Die potentielle Energie der Gravitation, wenn sich das Objekt auf der Ebene befindet. h = 0 wird auf Null gesetzt.

Befindet sich dieses Objekt jedoch in großer Entfernung von der Erdoberfläche, ist die Schwerkraft nicht mehr konstant und die obige Formel gilt nicht mehr.

Der Ausdruck der potentiellen Gravitationsenergie wird dann:

Potentielle Energie

Die potentielle Energie in unendlicher Entfernung von der Erde ist hier bei Null, weil die Formel die einfachste ist (dies liegt daran, dass die Energiedifferenz hier im Gegensatz zu vielen anderen Fällen eine endliche Grenze hat). Die potentielle Energie ist daher immer negativ und nimmt wie im oben erwähnten Modell zu, wenn sich das Objekt von der Erde entfernt.

Was ist elastische potentielle Energie?

Elastische potentielle Energie ist Energie, die in der Fähigkeit eines Körpers gespeichert ist, in   seine natürliche Position zurückzukehren. Diese Energieform wird auch Federenergie oder potentielle elastische Energie genannt.

Die Elastizität ist eine Eigenschaft bestimmter Materialien , für die eine Zeit verformt, gezogen oder aus seiner Anfangsposition getrennt sind , können ihre ursprünglichen Zustand wiederherzustellen oder Gleichgewicht. Die Erholungskräfte sind konservativ, wenn das Objekt seine ursprüngliche Form mit geringer Dämpfung oder Verformung wiedererlangt, und es kann eine elastische potentielle Energie abgeleitet werden, die zur kinetischen Energie addiert wird und es ermöglicht, die mechanische Energie des Objekts zu erhalten.

Eine lineare (ideale) Feder mit der Federkonstante k, die in einem Abstand Δl gezogen (oder gedrückt) wird, hat eine Zunahme der Federenergie von:

Potentielle Energie

Was ist chemische potentielle Energie?

Die chemische potentielle Energie hängt mit der strukturellen Anordnung von Atomen oder Molekülen zusammen. Diese Anordnung kann das Ergebnis chemischer Bindungen innerhalb eines Moleküls oder auf andere Weise sein.

Die chemische Energie einer Chemikalie kann durch eine chemische Reaktion in andere Energieformen umgewandelt werden.

Beispiele für chemische potentielle Energie:

  • Wenn ein Kraftstoff verbrannt wird, wird chemische Energie in Wärme umgewandelt
  • Während des Stoffwechsels der Verdauung. In einem biologischen Organismus metabolisierte Lebensmittel werden in Energie umgewandelt.
  • Der Photosynthesevorgang. Durch diesen Prozess wandeln grüne Pflanzen Sonnenenergie in chemische Energie um.
  • Elektrochemische Reaktionen. Elektrische Energie kann durch elektrochemische Reaktionen in chemische Energie umgewandelt werden. Diese Reaktionen treten während des Batterieladens auf.

Chemisches Potenzial

Das chemische Potential wird verwendet, um das Potential einer Substanz anzuzeigen, eine Konfigurationsänderung zu erfahren . Diese Änderung kann in Form einer chemischen Reaktion, eines Raumtransports, eines Partikelaustauschs mit einer Ablagerung usw. erfolgen.

Das chemische Potential ist an sich keine Form potentieller Energie, sondern steht in engerem Zusammenhang mit der freien Energie. 

Wie wird potentielle Energie in andere Arten von Energie umgewandelt?

Energie kann sich auf viele Arten manifestieren, einschließlich:

  • Chemische Energie.
  • Wärmeenergie.
  • Elektromagnetische Strahlung.
  • Gravitationsenergie.
  • Elektrische Energie.
  • Elastische Energie.
  • Atomkraft.
  • Ruheenergie. 

Alle diese Energiearten können in zwei Hauptklassen eingeteilt werden: potentielle Energie und kinetische Energie. Potenzielle Energie kann zwischen Objekten übertragen und in andere Energiearten umgewandelt werden.

Beispiel für eine mögliche Energieumwandlung

Potenzielle Energie kann in andere Energiearten wie kinetische Energie umgewandelt werden, was anhand des folgenden Beispiels leicht veranschaulicht werden kann :

  1. Durch das Treten eines Balls überträgt der Spieler potenzielle Energie von seinem Bein auf den Ball.
  2. Diese Anfangsenergie wird durch Verformen des Ballons und Komprimieren der darin enthaltenen Luft in elastische potentielle Energie umgewandelt .
  3. Bei Wiedererlangung der ursprünglichen Form wird diese elastische potentielle Energie in dem Moment in kinetische Energie umgewandelt, in dem der Ball mit voller Geschwindigkeit verlässt. Alle elastische potentielle Energie ist Energie,  die in kinetische Energie umgewandelt wird.
  4. Wenn der Spieler den Ball mit einer vollständig vertikalen Flugbahn geschossen hat und der Ball an Geschwindigkeit verliert, verliert er kinetische Energie, die in potentielle Gravitationsenergie umgewandelt wird .
  5. Wenn Sie den höchsten Punkt erreichen, hat der Ball keine kinetische Energie und seine gesamte Energie ist potentiell.
  6. Wenn der Ball zu fallen beginnt, wandelt sich die potentielle Gravitationsenergie wieder in kinetische Energie um .
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Geändert am: 2. April 2020