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Montag, 4. Juli 2011

Energie und Arbeit

Jede Veränderung der Welt benötigt Energie!

Obwohl in unserer Sprache das Wort Energie häufig verwendet wird, ist oft seine Bedeutung diffus. Wer Morgens mit viel Energie in den Tag startet meint etwas anderes als derjenige der über hohe Energiepreise klagt. Damit die wesentlichen Unterschiede klar werden, sollen diese hier kompakt und allgemein verständlich dargestellt werden.
Wenn hier von Energie gesprochen wird, dann ist immer physikalische Energie gemeint, nie “geistige Energie” oder andere, oft in populären Werken genannte, Energieformen.

Am einfachsten kann man sich Energie vorstellen, wenn man einen Gegenstand anhebt. Hebt man einen Eimer mit 10 Liter Wasser einen Meter hoch, so hat man Lageenergie in das System Eimer übertragen. Wo kommt diese Energie her. Das ist im vorliegenden Fall erstaunlich komplex. Die Muskeln haben die Energie geliefert, indem sie letztendlich Zucker in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt haben. Wasser und Kohlendioxid ist energieärmer als die gleiche Menge Zucker und Sauerstoff. Die genauen Gründe lassen sich durch Chemie und Quantenphysik beschreiben, spielen aber hier keine Rolle.

Spannender ist die Frage woher der Zucker, unsere persönliche Energiequelle, kommt. Dieser ist aus Pflanzen, zumeist aus Zuckerrohr, gewonnen worden. Das Zuckerrohr hat letztendlich aus Kohlendioxid, Wasser und Licht Zuckermoleküle gebildet. Wasser und Kohlendioxid sind keine Mangelware, sondern entstehen ständig neu, wenn der Zucker wieder in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt wird.
Schwieriger ist es mit dem Licht. Dieses Licht kommt auf dem Rohrzuckerfeld sicherlich von der Sonne. Und in der Sonne kann dieses Licht nur entstehen, weil im Inneren der Sonne Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen und dabei sehr viel Energie freisetzen.

Der nukleare Brennstoff Wasserstoff ist im Weltall seit dem Urknall vorhanden. Damals, vor 13,7 Milliarden Jahren, entstand ein Universum, das enorme Mengen von Wasserstoff enthält, der in der Lage ist, unter bestimmten Bedingungen, wie sie in der Sonne herrschen, zu verbrennen und Energie als Licht freizusetzen.
Das Weltall ist also nichts anderes als ein riesiger Energiespeicher aus Wasserstoff.
Wie und warum dieser Energiespeicher aufgefüllt wurde ist der Wissenschaft leider nicht bekannt. Bekannt ist aber, dass dieser Energiespeicher ständig Energie in Form von Licht abgibt und damit nach einiger Zeit erschöpft ist. Die Zeit ist allerdings für irdische, sprich menschliche Maßstäbe, fast unendlich, viele zehn Milliarden Jahre.

Zurück zum Eimer voll Wasser, der jetzt in einem Meter Höhe auf dem Tisch steht. Er hat gegenüber den Boden eine potentielle Energie die man aus Höhe und Gewicht berechnen kann. Der Eimer wiegt etwas über zehn Kilogramm und drückt daher unter der Schwerkraft der Erde mit 100 Newton auf den Tischboden. Der Eimer wurden offensichtlich mit einer Kraft von 100 Newton einen Meter hochgehoben, das hochheben ist anstrengend, es wird Arbeit geleistet, ganz im physikalischen Sinn! In unserem physikalischen Maßsystem wird diese Energiemenge mit 100 Joule (J) gemessen, diese Energie ist an den Eimer übergegangen. Eine Größe, die im Alltag praktisch keiner kennt. Ein Blick auf die Zuckertüte verrät uns, dass hundert Gramm Zucker 1.600 kJoule (kJ) enthalten, das sind, wegen dem Faktor k, Kilo, der tausend bedeutet, 1.600.000 J. Dies ist ein Hinweis darauf, dass man theoretisch mehr als zehntausend Eimer Wasser auf den Tisch stellen kann, bevor man hundert Gramm Zucker verbraucht hat. Dies ist auch der Grund, warum es so mühsam ist mit Sport abzunehmen.

Zucker ist also ein hervorragender Energiespeicher, ähnlich wie Fett, Alkohol oder Benzin, das neuerdings auch Alkohol enthält. Es gibt pro hundert Gramm gewisse Unterschiede, im Vergleich zu der kleinen Energiemenge, die unser zehn Kilogramm schwerer Wassereimer speichert, liegen zumeist vier Größenordnungen dazwischen. In Anderen Worten, der gleiche Unterschied den der Entfernung ein Meter und zehn Kilometer.

Wie groß ist die Leistung wenn man einen Eimer hochhebt? Das hängt von der Geschwindigkeit ab, schafft man es, den Eimer in einer Sekunde hochzuheben, hat man eine Leistung von 100 Watt (W) abgegeben. Das entspricht der elektrischen Anschlussleistung einer großen Glühbirne, die inzwischen allerdings verboten ist. Kann jemand den Eimer in einer halben Sekunde hochheben, hat er eine Leistung von 200 W abgegeben. Ein Mittelklasse Wagen hat heute oft 100 kW, was 135 PS entspricht, und könnte den Wassereimer theoretisch in einer tausendstel Sekunde einen Meter hochheben. Oder man könnte den Eimer in einer Sekunde in 1000 Meter Höhe befördern, soviel zu den vor Leistungsfähigkeit strotzenden Autos.

Für viele weitere Betrachtungen der Energienutzung ist es nicht sinnvoll mit der Einheit Joule oder kJ zu rechnen, da damit die Zahlen einfach viel zu groß werden. Es gibt eine einfache Größe, die manchem von der Stromrechnung vertraut ist, das ist die Kilowattstunde (kWh). Leistet ein System eine Stunde lang tausend Watt, so nennt man die gelieferte Energie 1kWh. Will man dies in Joule umrechnen, muss man beachten, dass eine Stunde 3.600 Sekunden dauert. Somit entspricht eine kWh genau 3.600.000 J oder 3.600kJ. Der menschliche Körper verbraucht etwa 2-3 kWh Energie pro Tag, je nach sportlicher Aktivität. Auf der Zuckerpackung mit einem Kilo Zucker könnte auch stehen, dass diese 4,4kWh Energie enthält und beim Discounter um die Ecke 0,65Euro kostet.

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