Energieumwandlungen sind Prozesse, die Energie von einem Typ (z.B. kinetische, potenzielle Gravitationsenergie, chemische Energie) in einen anderen umwandeln. Jede Art der Energienutzung muss eine Art von Energieumwandlung beinhalten.
Energie muss den Gesetzen der Thermodynamik gehorchen.
Die Thermodynamik ist die Lehre von der Umwandlung der Energie von einem Typ in einen anderen. Die Gesetze der Thermodynamik gelten für Energie und Energieumwandlungen.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik:
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Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden (das nennt man Energieerhaltung); sie kann jedoch von einer Art in eine andere umgewandelt werden. In der Tat wandelt jeder nützliche Prozess Energie von einer Form in eine andere um. Es gibt viele verschiedene Formen oder Arten von Energie. Einige Beispiele für alltägliche Energieumwandlungen sind:
| Szenario | Beteiligte Energieumwandlungen |
|---|---|
| Hände aneinander reiben, um sie warm zu machen | Kinetische Energie in thermische Energie |
| Benutzung einer batterie-Taschenlampe | Chemische Energie in elektrische Energie (in der Batterie) Elektrische Energie in Strahlungsenergie (in der Glühbirne) |
| Ein Objekt, das beim Fallen beschleunigt beim Fallen beschleunigt | Gravitationspotentialenergie zu kinetischer Energie |
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik:
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Einige Formen von Energie sind nützlicher als andere. Der Einsatz von Energie macht sie immer weniger nützlich, auch wenn keine Energie tatsächlich zerstört wird.
Kinetische Energie und Elektrizität sind die nützlichsten Formen. Sie sind „hochwertig“, weil sie fast vollständig in jede andere Energieform umgewandelt werden können. Elektrizität kann zum Beispiel leicht verwendet werden, um Wärme (thermische Energie) oder Licht (Strahlungsenergie) zu erzeugen, chemische Bindungen zu brechen (chemische Energie), Objekte zu bewegen (kinetische Energie) oder Objekte zu heben (potenzielle Gravitationsenergie).
Die am wenigsten nützliche Energieform ist die thermische Energie niedriger Temperatur. Sie kann zwar wieder in eine höherwertige Form umgewandelt werden, aber dabei geht immer Nutzenergie verloren. Wenn man Energie in eine weniger nützliche Form umwandelt und dann versucht, rückwärts zu arbeiten, bekommt man nie 100 % der nützlichen Energie zurück.
Wenn zum Beispiel ein Auto fährt, wird der Motor heiß (thermische Energie). Die Wärme des Motors trägt nicht dazu bei, dass sich das Auto bewegt oder schneller fährt. Diese verschwendete Energie ist ein unvermeidliches Nebenprodukt der Umwandlung des Treibstoffs (chemische Energie) des Autos in Bewegung („hochwertige“ kinetische Energie), kann aber potenziell für die Beheizung des Innenraums des Autos genutzt werden, um die Gesamtenergieeffizienz etwas zu erhöhen. Es ist eine Herausforderung für alle Formen der Energieerzeugung, die Energieverschwendung zu minimieren und so effizient wie möglich zu sein.
PhET: Energy Forms and Changes
Die University of Colorado hat uns freundlicherweise erlaubt, die folgende PhET-Simulation zu verwenden. Klicken Sie hier, um eine interaktive Simulation zu starten, die Umwandlungen zwischen Energieformen untersucht. Im Besonderen befasst sich diese Simulation mit Umwandlungen zwischen Formen von mechanischer, elektrischer, chemischer und Lichtenergie.
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