Energie (Energy)

Der Blitz – Freilassung der riesigen Quantitäten der Energie in sehr kürzerer Zeit. Klicken Sie auf das Foto für die volle Größe.

Das Wort Energie entstand von dem griechischen Wort energos, was „Aktivität“ bedeutet. Energie ist die Eigenschaft des Systems, mit der die Fähigkeit des Systems, eine arbeit zu machen, beschrieben wird. Nach dem internationalen System der Maßeinheiten, dem englischen Physikern James Prescott Joule zu Ehre (1818 - 1889) wurde die Maßeinheit für die Energie Joule (J) genannt. Eine wichtige Eigenschaft der Energie ist, dass sie nicht entstehen oder verschwinden kann und deswegen ist die Quantität der Energie in einem geschlossenen System immer konstant. Diese Eigenschaft der Energie wird das Energieerhaltungsgesetz genannt und wurde zum ersten Mal im 19. Jh. formuliert. Alle bis jetzt bekannten Prozesse und Phänomene können mit einigen Energieformen nach folgenden Definitionen erklärt werden: kinetische Energie, potentielle Energie, Thermalenergie, Schwerkraft, Elastizität, Elektromagnetismus, chemische Energie, nukleare Energie und die Masse.

Obwohl sie nicht entstehen oder verschwinden kann, die Energie kann aus einer in die andere Form übergehen. Dieser Energieübergang aus einer Form in die andere wird die Arbeit oder die Kraft genannt. Dem schottischen Ingenieur und Erfinder James Watt (1736 - 1819) zu Ehre wurde die Maßeinheit für die Arbeit das Watt (W) genannt. Ein Watt ist die Arbeit, die in einer Sekunde mit der Energieübergang von einem Joule gemacht wird (W = 1 J/s). Aus der Definition ist zu sehen, dass mit den Watten die Geschwindigkeit der Energieübergang aus einer Form in die andere ausgedruckt wird. Manchmal wird die Maßeinheit Watt-Stunde (Wh) als Maßeinheit für die Energie gebraucht. Ein Watt-Stunde ist die konstante Arbeit (Kraft) von einem Watt in der Periode von einer Stunde und so ist 1Wh = 1 J/s * 3600s = 3600J. Für die Quantität der produzierten, d. h. verbrauchten elektrische Energie werden normal Multiplikatoren der Maßeinheit Wh benutzt, wie KWh, MWh, GWh (Kilowatt-, Megawatt und Gigawatt-Stunde)

In der Automobilindustrie gebraucht man die Pferdestärke für das Ausdrücken der maximalen Kraft des Motors. Es gibt mehrere Definitionen der Pferdestärke, aber in der Automobilindustrie sind nur zwei wichtig: die mechanische Pferdestärke und metrische Pferdestärke. Mechanische Pferdestärke beträgt ungefähr 746 W und metrische 735,5 W. Gewöhnlich drücken die Automobilhersteller die Kraft in mechanischen Pferdestärken aus, aber wegen der Verschönung der Nummern wird metrische Pferdestärke, besonders bei den egzotischen Automobilen benutzt.

Die Sonne als Energiequelle

Die Sonne ist die größte Energiequelle in dem Solarsystem. Klicken Sie auf das Foto für die volle Größe.

Die Sonne ist die größte Energiequelle in dem Solarsystem. Weil sie sehr klein im Vergleich zu anderen Sternen und gelb ist, gehört sie in der Sternklasse, die wir „Der gelbe Zwerg“ nennen. Obwohl sie relativ klein im Vergleich zu anderen Sternen ist, ist die Sonne im Vergleich zu den Planeten, die sie umgeben, riesig. Die Sonne beträgt 99,8% der Masse des ganzen Sonnensystems. Für eine leichtere Visualisierung der Größe der Sonne dient die Tatsache, dass sich innerhalb die Sonne 962.000 Kopien der Erde auf einmal befinden und in die leeren Räume zwischen den Kugeln noch ungefähr 340.000 „geschmolzene“ Erden stationiert werden könnten. Demnach wurden 1.300.000 Erde nötig sein, um das Volumen der Sonne zu füllen.

Der wichtigste energetische Prozess auf der Sonne ist die nukleare Fusion, d. h. die Verbindung der zwei leichten Atome in einen schweren mit der Freilassung der Energie, die proportional der Differenz der Massen vor und nach der Reaktion ist (nach Einstein Formel E = mc²). Durch die nukleare Fusion wird jeder Sekunde in der Sonne ungefähr 700.000.000 Tonen des Wasserstoffs in 695.000.000 Tonen des Helium transformiert und die Differenz von 5.000.000 Tonen wird nach der Einstein Formel in die Energie in der Form der Gamastrahlung umwandelt. Wenn diese 5.000.000 Tonen in der Sekunde in die Arbeit (Kraft) transformiert wird, kann man die Kraft der Sonne auf die 386 Milliarden MW einschätzen. Nur zum Vergleich: das größte nukleare Kraftwerk in der Welt ist Kashiwazaki in Japan, das sieben operativen Reaktoren und die gesamte Kraft von 8.212 MW hat. Nukleares Kraftwerk Krško hat die Kraft von 696 MW. Die Erde bekommt in jedem Moment von der Sonne 174 Petawatts (10¹⁵ W) der Solarstrahlung.

Die Energieformen

Wie schon in der Einleitung erwähnt wurde, können alle bis jetzt bekannten Naturprozesse und Phänomene mit einigen grundlegenden Energieformen erklärt werden. In der Fortsetzung sind einige von denen aufgezahlt und detailliert erklärt.

• Potenziale Energie
  
  Potentielle Energie wird als die Arbeit definiert, die gegen der vorhandenen Kraft durch die Veränderung der Position des betrachteten Objekts bezüglich auf eine referente Position gemacht wird. Der Name „potentielle Energie“ stammt von der Vermutung, dass diese Energie in die nützliche Arbeit umwandeln kann. Das gilt nicht für alle Systeme, aber hilft beim Verstehen der potentiellen Energie. Zwei wichtigste Arten der potentiellen Energie sind gravitationspotentielle und elastische potentielle Energie. Gravitationspotentielle Energie ist die Energie verbunden mit der Schwerkraft und wirkt zwischen irgendwelchen zwei Objekten mit der Masse. Sie ist proportional der Masse des Objekts und gegenproportional der Distanz zwischen den Objekten. Elastische potentielle Energie ist die potentielle Energie elastischen Objekts wie die Feder, der Katapult und ähnliches. Sie entsteht als die Konsequenz der Kräfte, die das Objekt in der Primarposition zurückbringen wollen und das sind am häufigsten elektromagnetische Kräfte in den Atomen und Molekulen, aus denen das Objekt besteht. Das Beispiel der Ausnutzung der gravitationspotentiellen Energie sind große Wasserkraftwerke, bei denen die potentielle Energie des Wassers in die kinetische Energie transformiert wird, die dann zum Bewegen der Turbinen des Generators der elektrischen Energie dient.
  
  
• Kinetische Energie
  
  Kinetische Energie oder die Energie der Bewegung ist die Energie, die nötig ist, um die Geschwindigkeit eines Objekts zu erhöhen. Sie ist auch die Energie des Objekts bei einer bestimmten Geschwindigkeit bezüglich auf ein referenten Objekt. Nach der klassischen Mechanik ist die kinetische Energie proportional der Masse des Objekts und dem Quadrat der Geschwindigkeit der Bewegung des Objekts. Bei den Geschwindigkeiten, die vergleichbar mit der Lichtgeschwindigkeit sind, kann die kinetische Energie nicht mit Hilfe von Formeln in der klassischen Mechanik gerechnet werden, sondern man muss die Theorie der Relativität benutzen. Energie des Objekts, das sich mit der Geschwindigkeit vergleichbar mit der Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird mit Hilfe von den Lorentz-Transformationen gerechnet. Nach diesen Transformationen sollte das Objekt mit der Geschwindigkeit vergleichbar mit der Lichtgeschwindigkeit unendliche Energie besitzen und allein deswegen ist es unmöglich, das Objekt auf die Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Das Beispiel der Ausnutzung der kinetischen Energie ist z. B. die Umwandlung der Windenergie in die elektrische Energie in den Windmühlen.
  
  
• Thermalenergie
  
  Thermalenergie ist die Energie der zufälligen Bewegung der mikroskopischen Partikeln, aus die ein Objekt besteht, d. h. der energetische Anteil des Systems, der mit der Temperatur erhöht. Thermalenergie geht von einem Objekt zu anderem wegen des Temperaturunterschieds. Die Wärme wird auf drei grundlegende Weisen übertragen: die Konduktion (Übertragung), die Konvektion und die Strahlung. Die Konduktion (Übertragung) der Wärme ist er spontane Übergang der Thermalenergie durch die Substanz aus dem wärmeren in den kälteren Teil mit dem Zweck der Ausgleichung der Temperaturunterschiede. Die Konvektion ist die Strömung der Flüssigkeiten oder Gase, bei der die wärmere Flüssigkeit zu der kälteren strömt und die Wärme der Umgebung überträgt. Der wärmere Körper strahlt starker elektromagnetischer Strömung, weil je mehr ein Körper wärmer ist, desto haben die Atome dieses Körpers größere Energie und die Vibrierung der elektrischen Ladungen ist intensiver. Durch diese Strömung kann die Wärme von einem zu anderem Körper übertragen werden. Die Thermalenergie kann direkt für die Heizung oder indirekt für die Gewinnung anderer Energieformen benutzt werden. So kann die Thermalenergie innerhalb der Erde – geothermische Energie – für die Generierung der elektrischen Energie benutzt werden.
  
  
• Elektrische Energie
  
  Elektrische Energie ist die Form der potentiellen Energie im Feld der Coulomb-Kraft, in dem sich die Partikel der gleichen Ladung abziehen und die Partikeln der oppositionellen Ladung sich anziehen. Elektrische Energie ist ohne Zweifel im Moment die wichtigste Energieform, die die Menschheit nutzt, weil sie leicht transportiert und in andere Energieformen wie kinetische und thermale Energie transformiert werden kann. Sie wird heutzutage am meisten aus den fossilen Treibstoffen (die Kohle) produziert. Da die fossilen Treibstoffe negative Konsequenzen auf die Umwelt haben und auf keinen Fall unerschöpflich sind, werden immer mehr alternative Methoden der Produktion der elektrischen Energie (die Ausnutzung der Sonnenenergie, Wasserenergie, geothermischen Energie, Windenergie u. a.) verwendet.
  
  
• Chemische Energie
  
  Chemische Energie kann als die Arbeit definiert werde, die die elektrischen Kräfte während der Neuordnung der elektrischen Ladungen – Protone und Elektrone – in den chemischen Prozessen machen. Falls die chemische Energie in der chemischen Reaktion reduziert wird, wird die Differenz in die Umgebung in der Form vom Licht oder die Wärme emittiert. Im Fall dass die chemische Energie erhöht wird, hat das System aus der Umgebung eine bestimmte Quantität der Energie in der Form vom Licht oder die Wärme übernommen. Das Feuer ist eine Form der Übergang der chemischen Energie in die Wärme oder das Licht und es kann entstehen, wenn drei grundlegende Bedingungen für die Kettenreaktion befriedigt werden: die Anwesenheit der benötigten Quantität des Sauerstoffs, die Anwesenheit des brennenden Materials und die Anwesenheit der benötigten Quantität der Wärme. Das Beispiel der Ausnutzung der chemischen Energie sind fossile Treibstoffe, die durch die Verbrennung die wärme freilassen. Diese Wärme wird direkt unter den Druck in die kinetische Energie umwandelt oder sie wird für die Heizung einer Flüssigkeit mit dem Zweck ihrer Verdunstung und die Gewinnung der kinetischen Energie verwendet. Das Kraftwerk auf der Kohle ist ein Beispiel der Umwandlung der chemischen in die elektrische Energie.
  
  
• Nukleare Energie
  
  Nukleare Energie ist die Energie gewonnen durch die Prozesse der nuklearen Fusion und nuklearen Spaltung. Nukleare Fusion ist die Verknüpfung der zwei oder mehrerer leichteren Atome in ein schwereres Atom mit der Freilassung bestimmter Quantität der Energie in der Form verschiedener Strahlungen. Nukleare Spaltung ist auch die Freilassung bestimmter Quantität der Energie in der Form verschiedener Strahlungen, aber der Prozess besteht aus die Teilung der schwereren Atome auf zwei oder mehrere kleinere Atome. Bei den beiden Verfahren ist die Masse vor der Reaktion größer als die masse nach der Reaktion und die Differenz zwischen den Massen wird in die Energie nach der Formel E=mc² transformiert. Die Sonnenenergie ist die Konsequenz der ständigen nuklearen Fusion im Kern des Sterns, die in der Form der Strahlung nach der Erde kommt und danach in das All strahlt. Die Forschungen der möglichen Ausnutzung der nuklearen Fusion auf der Erde sind immer noch in der Anfangsphase (das ITER Projekt), aber es gibt keine Hinweise, dass die nukleare Fusion in der nähen Zukunft auf der Erde benutzt werden könnte. Jedoch ist die nukleare Spaltung ein einfacher Prozess, der viel in den nuklearen Reaktoren für die Produktion der elektrischen Energie ausgenutzt werden.

Vergleiche energetische Werte

100 g normaler Schokolade haben den energetischen Wert von 2,3 MJ. Ein Liter des Benzins hat den energetischen Wert von 34 MJ und Masse von 730 g. Demnach, wenn man die Schokolade für den Betrieb der Automobile benutzen würde, müsste ein Liter des Benzins mit eineinhalb Kilogramm Schokolade ersetzt werden.

Eine normale AA Batterie hat 1000J Energie und das ist genüg für die sehr kleinen Verbraucher wie MP3 Players. Für größere Verbraucher können Batteriereihen verwendet werden und auf diesem Prinzip können sie auch für den Betrieb der Automobilen gebraucht werden. Ein der besseren Automobile, die produziert wurde, war Nissan Altra mit der Geschwindigkeit bis 120 Km/h. Mit einer Füllung könnte es 190 Km fahren. Im Auto wurden Li-ion Batterien verwendet. Bessere Li-ion Batterien hat die Energiedichte von 720 kJ/kg und diese Kapazität ist der wichtigste Nachteil elektrischer Automobilen. Ein Tank im durchschnittlichen Automobil beträgt 50 Liter und wenn dieses Automobil das normale Benzin verwendet, hat eine Tankfüllung 1700 MJ der Energie. Für die gleiche Quantität der Energie würde man 2360 Kg schwere Batterie gebrauchen. Jedoch sind die elektrischen Motore viel effektiver in der Energieanwendung von den Benzinmotoren und deswegen braucht man für die gleiche Effektivität der Automobilen nicht die gleiche Energie. Das ist nur ein Vergleich, um ein Gefühl über die Batterien als eine Energiequelle zu bekommen.

Alle bisher erwähnten Energiequellen können sich nicht mit der nuklearen Energie messen. Beim Uran-235 ist die Energiedichte pro ein Kilogramm des Materials für sechs Größenordnungen größer als die Energiedichte in der Kohle und anderen fossilen Energiequellen. Das ist deswegen, weil bei der nuklearen Energie die Masse in die Energie nach der Formel E=mc² transformiert wird und bei anderen Energiequellen bleibt die Summe der Massen nach der Anwendung unverändert.

Energetischer Wert der Nahrung und die Abmagerung

Für die Bezeichnung des energetischen Wertes der Nahrung werden Kalorien (Kilokalorien – kcal) benutzt. Wie auch bei den Pferdestärken gibt es auch einige Definitionen der Kalorien, die sich untereinander unterscheiden. Die übliche Definition der Kilokalorie ist, dass das die nötige Energie für die Aufwärmung eines Kilogramms des Wassers um einen Grad von 14,5 °C auf 15,5 °C bei dem standarden atmosphärischen Druck von einer Atmosphäre – ungefähr 4,184 KJ ist. Bei der Nahrung werden Kilokalorien vereinfacht nur Kalorien genannt. Die Person, die Sport treibt und wiegt 80 Kilo braucht 28-30 kcal pro einem Kilo, d. h. ungefähr 2320 kcal der Energie täglich. Sehr aktive Sportler, z. B. die Marathonläufer brauchen ungefähr 50-60 kcal/Kg der Energie täglich (sehr aktive Person von 80 Kg braucht täglich 4400 kcal der Energie).

Um das Gefühl des energetischen Wertes einiger Nahrungsmittel zu bekommen, wird als Beispiel eine Schokolade von 100 g genommen. Der energetische Wert solcher Schokolade ist 550 kcal (2300 KJ). Das ist die nötige Energie für das Leuchten einer Glühbirne von 100W mit voller Kraft langer als 6 Stunden und 23 Minuten. Die gleiche Energie von 2300 KJ ist genug, um ein eine Tonne schwereres Automobil von der Oberfläche 234,45 Meter in die Höhe zu heben.

Nach einigen Einschätzungen verbraucht eine Person von 70 Kilo durch das seriöse Jogging ungefähr 560 kcal pro Stunde. Machen wir alles einfacher und sagen, dass die Person von 75 Kilo, die diese Masse durch ihre Essensgewohnheiten erhält, 5 Kilo abnehmen will, aber die erwähnten Gewohnheiten nicht ändern will. In diesem Fall muss die körperliche Aktivität erhöht werden, um im Körper ein energetisches Defizit zu schaffen und die Person beschäftigt sich eine Stunde jedes Tages mit dem Jogging. Vermuten wir, dass diese Person bei dem Abnehmen gleichmäßig Proteine und Fette verliert, dann ist für das Abnehmen von einem Gramm das energetische Defizit von 6,5 kcal nötig. Mit einer Stunde des Joggings werden 86 Gramme verloren und das ist die tägliche Quantität des Abnehmens. Demnach wird die Person 5 Kilo in ungefähr zwei Monate verlieren. Jogging wird als das Laufen mit der Geschwindigkeit niedriger als 10 Kilometer pro Stunde definiert.

Schlussfolgerung

Der moderne Lebensstil bedeutet immer größere Energieanwendung mit dem Zweck der größeren Effektivität und Gemütlichkeit und deswegen ist die Energieanwendung jeden Tag größer. Im Moment wird die Mehrheit der energetischen Bedürfnisse der Menschheit durch die Anwendung sehr schädliche fossile befriedigt. In der Zukunft werden reinere Energiequellen in der Form von erneuerbaren Energiequellen oder nuklearen Energie gebraucht. Aus dem Artikel ist zu sehen, dass die verfügbare Energie mehr als genug für die Befriedigung allen möglichen zukünftlichen energetischen Bedürfnissen. Man muss nur Weisen der sicheren und reinen Ausnutzung der verschiedenen Energiequellen finden, natürlich mit der schrittweisen Reduzierung des Einflusses der Erdölmagnaten, die alle Energiequellen sabotieren wolle, die sie allein nicht finanzieren.

Wegen des immer größeren Einflusses auf das tägliche Leben und die Qualität des Lebens wurde die Energie zum strategischen Ressource der entwickelten Staaten. In der Geschichte wurden viele Kriege wegen des Mangels des Wassers, der Nahrung, wegen der Vermeidung der direkten Gefahr, aus den religiösen Gründen oder einfach wegen der Expansion des Territoriums geführt. Um die ständige Energieversorgung zu versichern, werden in der letzten Zeit Kriege wegen der Gewinnung der mit den energetischen Ressourcen reichen Gebieten geführt und der energetische Reichtum schadet vielen Staaten. Das aktuellste Beispiel ist die Besetzung des mit dem Erdöl reichen Iraks von der Seite der USA mit dem Zweck der Kontrolle des Erdöls. Diese Besetzung und das erhöhte Bedürfnis der Entwicklungsländer brachte dem Rest der Welt die Erhöhung der Preise aller Erdölprodukte, was später die Preise fast aller Produkte beeinflusst hat. Neue und erneuerbare Energiequellen werden in der Zukunft primäre Energiequellen werden. Dadurch werden die Kriege wegen der Energie vermieden und die Welt sollte ein besserer Ort werden.