Energie, Größen und Einheiten
Energie steckt in acht Formen, lässt sich übertragen und umwandeln — aber nie erzeugen oder vernichten. Wer mit ihr rechnet, braucht saubere Einheiten.
Energie \( E \)
Fähigkeit, etwas zu bewegen, zu verformen, zu erwärmen oder zu beleuchten. Gemessen in Joule.
Vorsätze
Große Energien schreibt man mit kilo, Mega und Giga — immer derselbe Faktor 1000 je Stufe.
Kilowattstunde
Die Energieeinheit auf der Stromrechnung — eine ganz normale Energie, nur größer.
Geschwindigkeit
In Energieformeln immer in m/s. Von km/h nach m/s teilst du durch 3,6.
Erst mit Buchstaben umstellen, dann Zahlen samt Einheiten einsetzen, sinnvoll runden und prüfen, ob das Ergebnis plausibel ist. Masse in kg, Länge in m, Zeit in s — dann kommt die Energie in J heraus.
Energie wird nie verbraucht
Im Alltag sagt man „Energie verbrauchen“. Physikalisch wird sie nur umgewandelt und dabei oft entwertet — meist zu innerer Energie der Umgebung, die sich nicht mehr nutzen lässt.
Die drei mechanischen Energieformen
Bewegung, Höhe und Verformung — diese drei Formen tauchen in fast jeder Aufgabe des Kapitels auf.
Bewegungsenergie
Steckt in allem, was sich bewegt. Doppelte Geschwindigkeit bedeutet vierfache Energie.
Lageenergie
Steckt in allem, was angehoben wurde — gemessen gegenüber einem Bezugsniveau; \( g = 9{,}81\,\mathrm{N/kg} \).
Spannenergie
Steckt in gedehnten oder gestauchten Federn. Die Dehnung steht im Quadrat.
Federkonstante \( D \)
Beschreibt, wie hart eine Feder ist: Kraft je Meter Dehnung.
Wer nach einer quadrierten Größe sucht, stellt erst \( v^2 \) bzw. \( s^2 \) frei und zieht zum Schluss die Wurzel.
Zweimal ½, zweimal Quadrat
Genau die beiden Formeln mit Quadrat — Bewegungs- und Spannenergie — haben den Faktor ½. Die Lageenergie hat weder ½ noch Quadrat.
Elektrische Energie, Kernenergie und die Sternchen-Formen
Fünf der acht Formeln rechnest du in der Klassenarbeit; die drei mit Sternchen musst du nur kennen.
Elektrische Energie
Hängt von Spannung, Stromstärke und Dauer ab. V · A · s = W · s = J.
Kernenergie
Der Massendefekt \( \Delta m \) wird zu Energie; \( c = 3 \cdot 10^{8}\,\mathrm{m/s} \), also \( c^2 = 9 \cdot 10^{16}\,\mathrm{m^2/s^2} \).
Innere Energie *
Energie für eine Erwärmung; für Wasser ist \( c = 4200\,\mathrm{J/(kg \cdot K)} \).
Chemische Energie *
Der Heizwert \( H \) sagt, wie viel Energie ein Kilogramm Brennstoff liefert.
Strahlungsenergie *
Energie eines Photons; \( h = 6{,}6 \cdot 10^{-34}\,\mathrm{J \cdot s} \), \( f \) ist die Frequenz.
Die Zeit gehört in Sekunden in die Formel. Für die Stromrechnung teilst du das Ergebnis in Joule durch 3 600 000 und erhältst Kilowattstunden.
Buchstaben mit zwei Bedeutungen
\( c \) ist bei der Kernenergie die Lichtgeschwindigkeit, bei der inneren Energie die spezifische Wärmekapazität. \( h \) ist die Höhe — aber in \( E = h \cdot f \) die Planck-Konstante. Immer aus dem Zusammenhang lesen.
Mit dem Energieerhaltungssatz rechnen
In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant. Aus diesem Satz wird eine Gleichung, mit der sich Höhen und Geschwindigkeiten berechnen lassen, die niemand gemessen hat.
Freier Fall
Lageenergie oben wird zu Bewegungsenergie unten. Die Masse kürzt sich heraus.
Achterbahn und Pendel
Es zählt nur der Höhenunterschied zwischen den beiden betrachteten Punkten, nicht die Form der Bahn.
Trampolin und Feder
Drei Stationen: Spannenergie unten, Bewegungsenergie beim Ablösen, Lageenergie oben. Die Masse kürzt sich hier nicht.
Bremsweg und Reibung
Die Reibungskraft nimmt längs des Weges Energie weg — sie wird entwertet und kommt nicht zurück.
Vier Schritte: Anfangszustand wählen, Endzustand wählen, für beide die Energieformen aufschreiben, gleichsetzen und nach der gesuchten Größe umstellen. Mit Reibung gilt \( E_{\mathrm{vorher}} = E_{\mathrm{nachher}} + E_{\mathrm{entwertet}} \).
Pumpspeicherkraftwerk — Verluste richtig verrechnen
Gespeichert wird \( E_{\mathrm{pot}} = m \cdot g \cdot h \). Gehen beim Pumpen z. B. 25 % verloren, war die eingesetzte Energie größer: man teilt die gespeicherte Energie durch 0,75, statt 25 % aufzuschlagen.
Die Regeln, an denen die Punkte hängen
Erst umrechnen (km/h → m/s, g → kg, cm → m, min → s), dann einsetzen. Jede Rechnung beginnt mit der Formel und endet mit Zahl und Einheit. Bei Quadraten die Wurzel am Schluss nicht vergessen.
