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Energie hat die gleiche Einheit, das Joule mit dem Symbol , aber Energie kann auf unterschiedliche Weise erscheinen oder übertragen werden. Energie kann sich als Bewegung, Position, ein mit der Temperatur verbundener thermischer Zustand, chemische Bindungen, Licht oder der Zustand elektrischer Ladungen zeigen.
Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird jede Energieform in Joule angegeben. Was sich ändert, ist, woran die Energie erkannt und wie sie berechnet wird.
Das Diagramm folgt der Einteilung der U.S. Energy Information Administration (EIA) in potenzielle und kinetische Energie. Wärme wird in den folgenden Formeln dennoch gesondert betrachtet, weil sie Energie bezeichnet, die aufgrund eines Temperaturunterschieds übertragen wird. Die Einteilung ist auf der EIA-Seite Forms of Energy nachzulesen.
Die folgenden Formen tauchen häufig in Diskussionen über erneuerbare Energien auf, da die Stromerzeugung normalerweise Bewegung, Höhe, Wärme oder bewegte Ladungen beinhaltet.
| Energieform | Woran sie zu erkennen ist | Häufiges mathematisches Modell | Beispiel aus erneuerbaren Energiesystemen |
|---|---|---|---|
| Kinetische Energie | Ein Objekt bewegt sich | Wind dreht eine Turbine | |
| Potenzielle Energie im Schwerefeld | Ein Objekt befindet sich über einer Bezugshöhe | Gespeichertes Wasser liegt höher als die Turbine | |
| Wärme | Energie wird aufgrund eines Temperaturunterschieds übertragen | Geothermische Flüssigkeit erwärmt ein Kraftwerkssystem | |
| Elektrische Energie | Ladung bewegt sich durch eine elektrische Spannung | Ein Generator speist Energie ins Stromnetz ein |
Darüber hinaus speichert Biomasse chemische Energie, Solarmodule empfangen Strahlungsenergie der Sonne und Batterien speichern Energie in elektrochemischen Zuständen. Die vier Formeln in der Tabelle werden in vielen grundlegenden Rechnungen der Physik in Klasse benötigt.
Kinetische Energie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Bewegung besitzt.
Symbolübersicht:
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| kinetische Energie | ||
| Objektmasse | ||
| Geschwindigkeit des Objekts |
Wenn die an einer Turbine vorbeiströmende Luftmasse und ihre Geschwindigkeit beträgt, beträgt ihre kinetische Energie:
OpenStax College Physics 2e erklärt den Zusammenhang zwischen Arbeit und kinetischer Energie auf der Seite Kinetic Energy and the Work-Energy Theorem.
Die potenzielle Gravitationsenergie ist Energie, die mit der Position eines Objekts in einem Gravitationsfeld zusammenhängt. Für Objekte in der Nähe der Erdoberfläche lautet das gängige Modell:
Symbolübersicht:
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| potentielle Gravitationsenergie | ||
| Objektmasse | ||
| Erdbeschleunigung | ||
| Höhe relativ zu einem Referenzniveau |
Der Wert von nahe der Erdoberfläche beträgt etwa . In vielen Schulaufgaben wird auf gerundet, damit die Rechnung übersichtlicher bleibt.
Wärme ist Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds übertragen wird. Ein Körper „speichert“ daher keine Wärme wie einen Gegenstand in einer Schublade. Er besitzt innere Energie, und bei einem Temperaturunterschied wird Energie als Wärme übertragen. Wenn der Stoff keinen Phasenübergang durchläuft und seine spezifische Wärmekapazität im betrachteten Temperaturbereich als konstant gilt, beträgt die übertragene Energie:
Symbolübersicht:
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| Wärme oder übertragene Energie | ||
| Objektmasse | ||
| spezifische Wärmekapazität | ||
| Temperaturänderung |
OpenStax College Physics 2e erläutert auf der Seite Temperature Change and Heat Capacity.
Elektrische Energie lässt sich aus der über einen Zeitraum wirkenden elektrischen Leistung ablesen. Das folgende Modell wird verwendet, wenn und während des Zeitintervalls als konstant behandelt werden.
Symbolübersicht:
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| elektrische Energie | ||
| elektrische Leistung | ||
| elektrische Potentialdifferenz | ||
| elektrischer Strom | ||
| Zeit |
In einigen Büchern wird für elektrische Energie als elektrische Arbeit verwendet. Nakafa verwendet , sodass es nicht mit als Einheit Watt verwechselt wird.
OpenStax College Physics 2e erläutert den Zusammenhang zwischen elektrischer Leistung und Energie auf der Seite Electric Power and Energy.
Ein Kraftwerk nutzt nicht nur eine Energieform. Wasserkraft beispielsweise lässt sich leichter als Kette von Energieformen lesen.
Auch ein Solarmodul erzeugt Energie nicht aus dem Nichts. Es empfängt Strahlungsenergie des Sonnenlichts und wandelt einen Teil davon in elektrische Energie um.
Deshalb sind Energieformen für erneuerbare Energiesysteme wichtig. Entscheidend sind die anfängliche Energieform, die gewünschte Nutzenergie und der Weg der Umwandlung.
| Fehler | Genaueres Lesen |
|---|---|
| Kinetische Energie wird nur mit der Masse verbunden | Sie hängt ebenso vom Quadrat der Geschwindigkeit ab, also von |
| Wärme wird wie ein Stoff behandelt, der in einem Körper gespeichert ist | Wärme ist Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds übertragen wird |
| wird als Leistungseinheit behandelt | ist eine Energieeinheit, denn sie entsteht aus |
| Die gesamte Energie einer erneuerbaren Quelle wird als direkt nutzbarer Strom betrachtet | Jede Anlage besitzt eine Umwandlungskette, und nicht die gesamte zugeführte Energie wird zu nutzbarer elektrischer Energie |
Bei der Untersuchung einer erneuerbaren Energietechnik sollte zuerst die Energieform und danach das Gerät betrachtet werden. Wind trägt kinetische Energie, hoch gelegenes Wasser speichert potenzielle Energie, Geothermie liefert thermische Energie, Biomasse speichert chemische Energie und Sonnenlicht trägt Strahlungsenergie.
