Allgemeine Energietechnik – physikalische Grundlagen
Physikalische Grundlagen
Damit man quantitative Aussagen über die Energie machen kann, benötigt man Maßeinheiten, mit denen sich Energie messen lässt. Um die Maßeinheiten für Energie zu verstehen, sind einige physikalische Grundlagen erforderlich.
Arbeit
Wirkt längs eines Weges s die Kraft F, so wird physikalische Arbeit verrichtet. Diese Arbeit W ist definiert als Kraft mal Weg:
W = F · s
Dabei wird vorausgesetzt, dass die Kraft längs des Weges konstant ist und in Wegrichtung wirkt. Werden die Kraft in N (Newton) und der Weg in m (Meter) eingesetzt, so erhält die Arbeit die Einheit Nm (Newtonmeter), wobei man 1 Nm = 1 J (Joule) setzt.
Energie
Physikalisch besteht folgender Zusammenhang zwischen Arbeit und Energie: Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Wenn ein System Energie besitzt, dann ist in ihm Arbeit gespeichert.
Energie als Zustandsgröße
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Zusammenhang von Arbeit und Energie
Wie aus obiger Tabelle ersichtlich ist, beschreibt die Energie den Zustand von Systemen; sie ist deshalb eine Zustandsgröße. In rein mechanischen Systemen kann der Zustand eines Systems nur durch Arbeit verändert werden. Betrachtet man einen Körper im Schwerefeld der Erde, der von einem Anfangszustand 1 (am Boden liegend) in den Endzustand 2 (um die Höhe h hochgehoben) gebracht wird, so entspricht die Differenz der Energie von End- und Anfangszustand genau der Arbeit, die beim Hochheben aufgebracht wird.
W12 = E2 – E1 = E
Die Formel zeigt, dass Arbeit und Energie die gleiche Einheit haben, d.h. Energie wird ebenfalls in J gemessen. Es ergibt sich zugleich eine wichtige Vorzeichenfestlegung:
| Positives Vorzeichen (+): DE > 0 | Negatives Vorzeichen (-): DE < 0 | |
| 1. Formulierung: | Es wird Arbeit am System verrichtet. | Das System verrichtet Arbeit. |
| 2. Formulierung: | Dem System wird Energie zugeführt. | Das System gibt Energie ab. |
| Mathematisch: | E2 > E1 | E2 < E1 |
Leistung
Auch die Leistung ist ein wichtiger physikalischer Begriff, der eng mit Energie zusammenhängt. In der Physik definiert man Leistung P als Arbeit bzw. Energie durch Zeit t:
P = W/t = E/t
Die Formel nach W bzw. DE aufgelöst, ergibt: W = E = P · t , wobei die Leistung in W (Watt) gemessen wird. Demzufolge kann die Energie auch in Ws (Wattsekunden ) statt in J angegeben werden. Üblicher sind jedoch Kilowattstunden (kWh), dafür ergibt sich folgende Umrechnung:
1 kWh = 1 · 103 W · 3600 s = 3,6 · 106 Ws = 3,6 · 106 J
Einheiten
Neben den genannten Einheiten spielt in der Energiewirtschaft insbesondere noch die Steinkohleeinheit (SKE) eine wichtige Rolle. Die Energiemenge, die man erhält, wenn man 1 kg Steinkohle verheizt, bezeichnet man als 1 kg SKE. Es gilt:
1 kg SKE = 8,14 kWh = 29,3 · 106 J
Entsprechend wird auch die Tonne Steinkohleeinheit (t SKE) verwendet, wobei 1 t SKE = 103 kg SKE ist.
Zusammengefasst dargestellt sind die wichtigsten Energieeinheiten und ihre Umrechnungen in J in der nachfolgenden Tabelle:
| Gesetzliche Einheit der Energie ist das Joule: 1 J = 1 Ws (Wattsekunde) = 1 Nm (Newtonmeter) = 1 kgm2/s2 | ||||
| Einheit | 1 Ws = 1 Nm | 1 kWh | 1 kg SKE | 1 eV * |
| In Joule | 1 | 3,6 · 106 | 2,9 · 107 | 1,6 · 10-19 |
* Das Elektronenvolt (eV) ist eine sehr kleine Energieeinheit, die vor allem in der Atomphysik verwendet wird.
1 eV ist die Energiemenge, um welche die kinetische Energie eines Elektrons zunimmt, wenn es die Spannungsdifferenz 1 V (Volt) durchläuft.
Wie in der Physik, so ist es auch in der Technik üblich, Einheiten durch entsprechende Vorsätze anzupassen. Für große Einheiten sind im Gebrauch: Kilo (k), Mega (M), Giga (G), Tera (T), Peta (P) und Exa (E). Kilo steht für 103, bei jedem weiteren Vorsatz erhöht sich der Exponent um jeweils 3. Jede gute Physik-Formelsammlung enthält eine Tabelle über Vielfache und Teile von Einheiten.