Energie ISO 50001 & EN 16247

Was ist Energie und welche Bedeutung hat sie? – Teil 4 der Serie Energieeffizienz einfach erklärt

Was ist Energie einfach erklärt - Bedeutung Energie Definition - Banner

Im letzten Teil dieser Serie haben wir uns mit der Entropie und deren Zusammenhang mit Energie befasst. Sie ist die Erklärung dafür, dass Energie auch eine Qualität besitzt, also mehr oder weniger hochwertig sein kann  und man daher beim Einsatz von Energie auch darauf achten sollte, einen „angemessenen Energieträger“ (dessen Qualität möglichst gut den Anforderungen genügt) auszuwählen: das kann Energieverluste bei der „Energieerzeugung“ (also der Umwandlung von Primär- in Nutzenergie) vermeiden – und spart in der Regel auch Geld, da Umwandlungsverluste bezahlt werden müssen. Steht der Energieträger aber fest, geht es darum, die Energiemenge möglichst effizient zu nutzen. Dazu müssen wir aber verstehen, was Energie überhaupt ist und kann. Gehen wir deshalb zurück auf Anfang und stellen uns die Fragen: Was ist Energie? Welche Bedeutung hat die Energie? Und wie definieren wir Energie in ihren uns bekannten Formen?

Weitere Beiträge aus unserer Serie Energieeffizienz einfach erklärt:

Teil 1: Dies ist die Bedeutung der Energieeffizienz
Teil 2: Von der Energieeffizienz zur Energiequalität
Teil 3: Was ist Entropie und wie steht diese im Zusammenhang mit Energie?
Teil 4: Was ist Energie und welche Bedeutung hat sie?
Teil 5: Energieverbrauch in Deutschland – relevante Einsparpotenziale in Wirtschaft und Industrie
Teil 6: Die Prozesswärme in der Industrie als größter Energieverbraucher
Teil 7: Abwärmenutzung in der Industrie – Ermitteln Sie Ihre Potenziale mit der Pinch Analyse


Was ist Energie?

Es mag merkwürdig erscheinen, sich mit der Energie erst zu beschäftigen, nachdem wir uns mit der Entropie befasst haben. Beide Begriffe hängen aber eng miteinander zusammen, und erst die Beschäftigung mit „Wärmekraftmaschinen“, die auch zur Entdeckung der Entropie führte, führte zum Energiebegriff, mit dem wir heute arbeiten. Das Wort Energie taucht zum ersten Mal in Aristoteles’ Metaphysik als energeia auf: Aristoteles stellte neben der wirklichen Welt noch die mögliche Welt auf – wenn etwa jemand auf einem Stuhl sitzt, kann er jederzeit aufstehen und weggehen. Dazu muss er aber tätig werden; und energeia war das, was man aufbringen musste, um das Mögliche zum Wirklichen zu machen. Als solches war sie eine philosophische Verallgemeinerung, mit der Veränderungen erklärt werden sollten. Praktischer war der ebenfalls mit den Griechen beginnende Versuch, ein „perpetuum mobile“, eine Maschine, die immer lief und eine Arbeit verrichtete, zu bauen. Alle Versuche scheiterten und 1775 lehnte die Französische Akademie der Wissenschaften die Prüfung weiterer Vorschläge ab, Begründung: „Diese Art Forschung hat mehr als eine Familie zugrunde gerichtet, und in vielen Fällen haben Techniker, die Großes hätten leisten können, ihr Geld, ihre Zeit und ihren Geist darauf verschwendet.“

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Die „Kraft“ als Energie Definition

Dass der Bau eines „perpetuum mobile“ nicht möglich war, hatte die entstehende moderne Naturwissenschaft gezeigt. Aufbauend auf dem Modell der Planetenbahnen von Kopernikus und deren Berechnung durch Johannes Kepler, den Fallversuchen des Galileo Galilei Ende des 16. Jahrhunderts und den Untersuchungen der Kreisbewegung durch Christiaan Huygens hatte Isaac Newton dies Mitte des 17. Jahrhunderts begründet. Newton erkannte, dass ohne Krafteinwirkung alle Körper ihren Bewegungszustand beibehielten – entweder ruhten sie oder sie bewegten sich geradlinig fort. Um den Bewegungszustand von Körpern (am Baum hängende Äpfel oder auch Planeten) zu ändern, war eine „Kraft“ notwendig. Wenn ein Apfel vom Baum fiel (im physikalischen Sinne: beschleunigt wurde), lag dies an der (von Newton eingeführten) „Schwerkraft“. Eine besondere Leistung war es, zu erkennen, dass auch die Bahn von Planeten um die Sonne eine Beschleunigung bedeutete (da sie nicht geradlinig war). Der von Newton hierfür errechnete Wert entsprach genau der von Galilei berechneten Beschleunigung eines fallenden Apfels; er musste also, vermutete Newton, die gleiche Ursache haben – die „Schwerkraft“. „Kraft“ definierte Newton als zeitliche Änderung des Impulses eines Körpers; und der Impuls wurde durch Masse und Geschwindigkeit des Körpers in Bewegungsrichtung festgelegt. Dieser Impuls bleibt auch, so hatte Huygens mit seinen Stoßgesetzen gezeigt, beim Zusammenstoß von festen Körpern erhalten. Er wuchs aber nie, und daher wurde das „perpetuum mobile“ als zumindest sinnlos erkannt: selbst, wenn sein Bau möglich wäre, könnte es sich höchstens selbst in Bewegung halten, aber keine Arbeit verrichten, worum es seinen Anhängern aber eigentlich ging.


Bedeutung von „Kraft“ und „Bewegung“

Newtons Ideen legten die Grundlage für die gesamte „klassische Mechanik“; sie wurden von seinen Nachfolgern weiter ausgebaut und verfeinert und sind die Grundlage für große Teile der heutigen Technik. Aber es gab ein Problem: Wenn keine festen, sondern verformbare Körper zusammenstießen, ging ein Teil der Bewegung verloren; er wurde offenbar für die Verformung des Körpers „verbraucht“. Der Philosoph und Mathematiker Gottfried Leibniz schlug daher vor, dass nicht der Impuls, sondern die Kraft als Summe aus „vis viva“ („lebendige Kraft“ – die Bewegung) und „vis mortua („tote Kraft“ – nicht als Bewegung erkennbar) erhalten bleibt. Dieser Vorschlag spaltete die Naturwissenschaftler in Anhänger Newtons und Anhänger Leibniz‘; Experimente gaben (wegen verschiedener Fehler) keine eindeutige Antwort.


Der Faktor Wärme –  die Bedeutung der Energie für Arbeit und Leistung

Der „philosophische“ Streit der Naturforscher interessierte die Techniker und Ingenieure, die an der Nutzung und Verbesserung der Dampfmaschine arbeiteten, wenig. Sie hatten wichtigere Messgrößen: Arbeit und Leistung. Arbeit konnte man praxisnah als Produkt aus Kraft und Weg berechnen: Wenn man 20 kg einen Meter hochhebt, ist das doppelt so viel Arbeit, als wenn man 10 kg einen Meter hochhebt (das Anheben von Lasten war eine zentrale Frage, denn die ersten Dampfmaschinen wurden ja zum Abpumpen von Wasser aus Kohleminen verwendet). Ein verwandter Begriff ist Leistung, definiert als Arbeit pro Zeit: wird das gleiche Gewicht in der halben Zeit einen Meter hochgehoben, ist die Leistung doppelt so groß. Dieser Ansatz trug Früchte: so wurde erkannt, dass ein oberschlächtiges Wasserrad (dem das Wasser von oben zugeführt wird) etwa doppelt so viel Arbeit bei gegebener Wassermenge leisten konnte wie ein unterschlächtiges Wasserrad. Wir haben in Teil IV dieser Serie bereits gesehen, dass die Beschäftigung mit der Dampfmaschine zahlreiche Überlegungen über den Zusammenhang von Wärme mit der von der Dampfmaschine geleisteten Arbeit auslöste, die in Clausius‘ Erkenntnis mündete, dass zugeführte Wärme und geleistete Arbeit immer einen konstanten Wert ergeben. Wie Helmholtz kurz zuvor  vermutet hatte, blieb die Kraft erhalten.

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Der Begriff Energie und seine Definitionen

Inzwischen hatte aber auch die klassische Mechanik Fortschritte gemacht. Die Mathematiker und Physiker hatten sich, wenn sie nicht an Dampfmaschinen arbeiteten, vor allem für die genaue Berechnung der Planetenbahnen interessiert; diese war trotzt Newtons Gravitationsgesetz schwierig, da die mathematischen Methoden hierfür fehlten. Das „Zweikörperproblem“ (die Berechnung der Bewegung zweier Körper umeinander) lösten um 1800 unabhängig voneinander der deutsche Mathematiker Carl Friedrich Gauß und der französische Mathematiker Pierre-Simon Laplace auf ganz verschiedenen Wegen. Problematisch blieb aber die Einbeziehung von Bahnstörungen, etwa durch dritte Körper (wie andere Himmelskörper). Hierzu wurde, insbesondere von Leonhard Euler und aufbauend hierauf Joseph-Louis Lagrange, die Variationsrechnung erfunden. In der „Lagrange-Funktion“, die darin das Verhalten von Systemen beschreibt, sind Impuls und Kraft, vektorielle (also richtungsgebundene) Größen durch richtungsunabhängige Größen, wie Arbeit (und Energie, aber der Begriff wurde von Lagrange noch nicht verwendet), ersetzt. Das war der entscheidende Fortschritt: Newtons Impuls und damit seine Kraft waren richtungsabhängig (siehe die Definition, die „Geschwindigkeit des Körpers in Bewegungsrichtung“ enthält), in der Sprache der Mathematik also „Vektoren“; die neuen Größen waren dies nicht. Lagranges Arbeit erschien 1788.

Der Begriff Energie wurde zwischenzeitlich immer wieder mal benutzt, zuerst 1717 von dem Schweizer Mathematiker Johann Bernoulli (einem Anhänger Leibniz‘ in der „vis viva-Frage“), 1807 dann von dem englischen Physiker Thomas Young. Er konnte sich aber nicht durchsetzen. Das änderte sich erst, als Clausius den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik formulierte. Der britische Physiker William Thomson (der spätere Lord Kelvin), dessen Zweifel Clausius zu seinen Überlegungen motiviert hatten, erkannte sofort seine Bedeutung und dachte ihn weiter. Er wusste, dass der Carnot-Prozess ein idealer, reversibler Prozess war, aber in der Realität Wärme durch Wärmeleitung oder auch Reibung verlorenging, was aufgrund des zweiten Hauptsatzes irreversibel war. Daher wird von realen Dampfmaschinen weniger als die maximal mögliche Arbeit geleistet; dies verstieß aber nicht gegen die Energieerhaltung, da diese Energie als Wärme „zerstreut“ wurde. 1852 erklärte er, dass es in der realen Welt eine Tendenz zur Verstreuung („Dissipation“) von mechanischer Energie gäbe und eine Wiederherstellung dieser mechanischen Energie (die Umwandlung der Wärme in mechanische Energie) nur unter Energieverlust möglich sei. Mit der Überzeugung eines Konvertiten propagierte Thomson jetzt den Energiebegriff; führte etwa den Begriff kinetische Energie für das T und potenzielle Energie für das V in der Lagrange-Funktion ein. Clausius und Helmholtz akzeptieren dies sofort; damit sollte der Begriff sich in der Physik und in der Technik durchsetzen (Es ist die auf den Einfluss der Schwerkraft zurückgehende potenzielle Energie (Lageenergie) des Apfels, die beim Fall in kinetische Energie (Bewegungsenergie) umgewandelt wird.).


Elektromagnetische Kraft – Die Entdeckung einer neuen Energieform

Newton wusste genau, dass sein Ansatz nicht alle Kräfte beschrieb, die es in der Natur gab: Dinge bewegen sich nicht nur dann, wenn sie fallen. Kuriose, Anfang des 19. Jahrhunderts vor allem auf Jahrmärkten von Gauklern vorgeführte Phänomene waren etwa Elektrizität und Magnetismus. Mit diesen beschäftigte sich damals auch der englische Naturforscher Michael Faraday. Beide hingen offenbar zusammen: 1820 hatte der Däne Hans Christan Ørsted bemerkt, dass eine Kompassnadel ausschlug, wenn in der Nähe ein elektrischer Strom eingeschaltet wurde. Es gab also eine Kraftübertragung, ohne dass Strom und Kompassnadel verbunden waren. Faraday erklärte dieses durch unsichtbare Felder, die aus „Kraftlinien“ bestehen, die er durch Eisenfeilspäne sichtbar machte. Diese Linien vermittelten die elektrische und magnetische Kraft. Mathematisch beschrieb James Clerk Maxwell diese Felder. Seine Gleichungen sagten voraus, dass Faradays Kraftfelder schwingen und die Schwingungen sich als Wellen ausbreiten sollten – und zwar mit der Geschwindigkeit des Lichtes. Damit waren nicht nur Strom und Magnetismus, sondern auch Licht als elektromagnetische Wellen entdeckt. Mit der elektromagnetischen Kraft wurde die neben der Schwerkraft zweite relevante Kraft entdeckt, die Energieübertragungen vermittelte (neben diesen beiden gibt es noch zwei nur in der Kernphysik relevante Kernkräfte).

Was ist Energie - Energieformen


Energie einfach erklärt

Vereinfacht, aber anschaulich, wie etwa in der ISO 50001 (Anm. 2), wird Energie oft als die Fähigkeit eines Systems, eine externe Aktivität oder Arbeit zu verrichten, bezeichnet. Vermittelt wird diese Fähigkeit durch eine (gerichtete, also als Vektor darstellbare) Kraft. Energie kann in verschiedenen Formen vorkommen, praktisch werden vor allem kinetische Energie (Bewegungsenergie), potenzielle Energie (Lageenergie), chemische, elektrische und thermische Energie (Wärmeenergie) unterschieden, die ineinander umgewandelt werden können (mit den in Teil IV und V dargestellten Einschränkungen bei der Umwandlung thermischer Energie). Für die Praxis reicht das, aber die Physik ist heute weiter: Anfang des 20. Jahrhunderts zeigte Albert Einstein, dass die Gravitation wie der Elektromagnetismus auf einem Feld beruht und Energie und Masse nur zwei Seiten einer Medaille sind, die ineinander umgewandelt werden können. Damit gilt der Energieerhaltungssatz nur noch, wenn keine Masse in Energie umgewandelt wird – konstant sind nur Masse und Energie zusammen.

Bis demnächst
Ihr Jürgen Paeger


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