Energieformen im Alltag und Größenordnungen — mit gestuften Hinweisen und Erwartungshorizont.
Auf dem Schulhof lässt sich ein ganzer Vormittag als Folge von Energieumwandlungen lesen: Ein Ball wird hochgeworfen, eine Sprungfeder am Trampolin wird gespannt, die Sonne wärmt die Sitzbänke, und im Automaten leuchtet ein Display (M1).
| Nr. | Beobachtung |
|---|---|
| 1 | Ein Ball fliegt nach oben und wird dabei immer langsamer. |
| 2 | Das Sprungtuch des Trampolins wird durch das Gewicht eines Schülers nach unten gedehnt. |
| 3 | Die Holzbank in der Sonne fühlt sich mittags deutlich wärmer an als morgens. |
| 4 | Der Getränkeautomat ist an das Stromnetz angeschlossen und beleuchtet sein Display. |
1: Bewegungsenergie und Lageenergie.
2: Spannenergie (und die Lageenergie des Schülers).
3: Strahlungsenergie und thermische Energie.
4: elektrische Energie und Strahlungsenergie (Licht des Displays).
Beobachtung 1: Der Ball besitzt beim Abwurf viel Bewegungsenergie und keine Höhe. Beim Aufsteigen wird die Bewegungsenergie zunehmend in Lageenergie umgewandelt; deshalb wird er langsamer. Am höchsten Punkt liegt die Energie vollständig als Lageenergie vor. Kette: Bewegungsenergie → Lageenergie.
Beobachtung 3: Die Sonne gibt Strahlungsenergie ab. Diese wird vom Holz aufgenommen und in thermische Energie umgewandelt, wodurch die Temperatur der Bank steigt. Kette: Strahlungsenergie → thermische Energie.
Zur mechanischen Energie gehören Bewegungsenergie, Lageenergie und Spannenergie — also die in den Beobachtungen 1 und 2 genannten Formen.
Alle Energieformen werden in derselben Einheit gemessen: im Joule, Kurzzeichen J. Es gilt 1 J = 1 kg · m² / s² = 1 Nm.
Ein Joule ist eine erstaunlich kleine Energiemenge. Deshalb rechnet man im Alltag häufig mit Kilojoule (kJ), Megajoule (MJ) oder Kilowattstunden (kWh). Es gilt 1 kJ = 1000 J, 1 MJ = 1 000 000 J und 1 kWh = 3,6 · 106 J.
| Vorgang | Energie |
|---|---|
| Eine Tafel Schokolade (100 g) enthält chemisch | 2300 kJ |
| Ein Wasserkocher braucht für eine Kanne Tee | 0,12 kWh |
| Ein Auto (1000 kg) besitzt bei 50 km/h | 96 450 J |
| Ein Apfel (150 g) fällt 1 m tief; dabei werden frei | 1,5 J |
Schokolade: 2300 kJ = 2,3 · 106 J
Wasserkocher: 0,12 kWh · 3,6 · 106 J/kWh = 4,32 · 105 J
Auto: 96 450 J = 9,645 · 104 J
Apfel: 1,5 J
Die vier Werte umfassen mehr als sechs Zehnerpotenzen.
2,3 · 106 J : 9,645 · 104 J ≈ 24.
Die chemische Energie einer einzigen Tafel Schokolade entspricht also rund dem 24-Fachen der Bewegungsenergie eines Autos bei 50 km/h. Anders gesagt: Man könnte damit rechnerisch 24-mal ein Auto von 0 auf 50 km/h beschleunigen.
Die Aussage ist so nicht haltbar.
Richtig ist: Der Energieinhalt ist tatsächlich beträchtlich, wie der Vergleich in b) zeigt. Umgerechnet entspricht 1 kg Schokolade grob der Energie von etwa einem halben Liter Benzin.
Nicht berücksichtigt sind zwei Punkte. Erstens lässt sich chemische Energie nie vollständig in Bewegungsenergie umwandeln: Ein Verbrennungsmotor gibt nur etwa ein Viertel bis ein Drittel der eingesetzten Energie als Bewegungsenergie ab, der Rest wird thermische Energie. Zweitens ist die Bewegungsenergie bei konstanter Fahrt gar nicht die entscheidende Größe — sie muss nur einmal aufgebracht werden. Fortlaufend Energie kostet dagegen der Luftwiderstand, und der wächst ebenfalls stark mit der Geschwindigkeit.
Urteil: „Sehr weit“ ist deutlich zu optimistisch. Die Aussage verwechselt den Energieinhalt mit der tatsächlich nutzbaren Energie und übersieht, dass beim Fahren ständig Energie an die Umgebung abgegeben wird.