Frage von Feanor1169, 37

Was ist Energie im kleinsten Maßstab und wie wird sie "erzeugt" und wofür wieso "gebraucht"?

Verzeiht die dumm klingende Frage, aber das wurde mir noch nie wirklich erklärt.

Ich weiß was ein Proton ist, auch ein Neutron, Quark und Gluon und Elektron, und auch, dass Licht aus Photonen besteht, für deren Absendung "Energie erforderlich ist", aber was heißt das? Was ist Energie ganz ganz genau? Mir scheint, "Energie" wird höchst willkürlich verwendet. Mal ist es Strom, und somit Elektronen. Mal ist es Kraft, mal in Sciencefiction Filmen die Kapazität der Schilde, Laserstrahlen, Zeitmaschinen oder sonst etwas, und mal ist es "die Energie eines Menschen", also eine Art mentale und psychische... "Wachheit"... na ihr wisst was ich meine. Und auch in der Wissenschaft scheint mir das Wort ziemlich häufig verwendet zu werden (ohne dass ich bisher einen Universellen Zusammenhang erkennen könnte, der all die Verwendungen vereinheitlicht). So hat Steven Hawking in seinem Buch eine kurze Geschichte der Zeit im Glossar Ach und, wie kann ein Teilchen Energie "haben", oder "ausstrahlen? Ist es etwa die Geschwindigkeit davon? Oder das... Verhältnis von Masse zu... irgendetwas anderem??? In der Relativitätstheorie ist ja bekanntermaßen auch von Energie die Rede, und auch in Blitzen...

Ich hoffe, ich konnte mich einigermaßen verständlich ausdrücken.

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von TheAssiBasti, 8

Für "Energie" gibt es noch immer keine einheitlich anerkannte Definition, das ist ja das Problem. Wenn hier jemand eine Antwort parat hätte, mit dem sich alle Wissenschaftler anfreunden könnten, so wäre dem/derjenigen der Nobelpreis vermutlich sicher.

Mit dem "Energie kann umgewandelt werden" ist meines Wissens der (nagel mich nciht drauf fest, ich schreib nur aus Erinnerung aus der Schulzeit) 1. Satz der Thermodynamik gemeint (Energieerhaltungssatz). Demnach kann in einem geschlossenen System keine Energie verloren gehen, sie wird lediglich in andere Formen umgewandelt. Beispielsweise chemische Energie (die z. B. im Holz gespeichert ist) in thermische Energie (bei Verbrennung) usw.

Anderes Beispiel: Wenn du auf ein Sprungbrett steigst, erhöhst du deine potentielle Energie durch die erhöhte Lage. Beim Herunterspringen wird diese potentielle Energie in kinetische (Bewegungsenergie) umgewandelt.

Kommentar von Fredi2721 ,

ach.. was für ein Humbug. Natürlich gibt es eine Definition von Energie

Expertenantwort
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 6

Die Frage klingt nicht dumm. Die schlauesten Köpfe der Wissenschaftsgeschichte haben sich damit beschäftigt, ohne dir eine Antwort geben zu können. Sie haben festgestellt, dass "Energie" in eine Kategorie an Begriffen fällt, die ein eigenartiges Verhalten zeigen. Solange man nicht gefragt wird und erklären muss, ist die Sache ganz einfach und jeder versteht, was gemeint ist. Sobald man den Begriff aber erklären soll, entgleitet er und je tiefer man eindringt, umso unklarer wird das Ganze.

Typische weitere Begriffe aus dieser Kategorie: Zeit, Liebe, Bewusstsein, Leben, Seele etc.

Antwort
von Merkantil, 8

Eine gute Frage, die sich nicht leicht beantworten läßt.

Erst mal: Dich interessiert offensichtlich der Begriff der Energie in den Naturwissenschaften, also konkret gesprochen die Verwendung dieses Begriffs in der Physik.

Somit kannst Du schon mal alle anderen Anwendungen („Mal ist es Kraft, mal in Sciencefiction Filmen die Kapazität der Schilde, Laserstrahlen, Zeitmaschinen oder sonst etwas, und mal ist es "die Energie eines Menschen", also eine Art mentale und psychische... "Wachheit"... na ihr wisst was ich meine“) aussortieren.

Wörter, die in einer Fachsprache auf eine bestimmte Weise verwendet werden, werden oft in der Umgangsspache oder in einer anderen Fachsprache ganz anders verwendet. Jede der Anwendungsformen kann sinnvoll sein; sie dürfen aber nicht durcheinandergeworfen werden.

Einer meiner Physiklehrer hat uns mal sein Fachgebiet so vorgestellt: „Wir werden uns jetzt mit Kraft, Masse, Energie usw. beschäftigen. Aber niemand wird Euch sagen können, was Kraft, Masse und Energie wirklich ist. Wir können nur lernen, diese Begriffe anzuwenden und aufgrunddessen Voraussagen für bestimmte Vorgänge, die sich im Experiment wiederholen lassen, zu treffen, und diese Voraussagen zu berechnen."

Wir müssen also nicht im eigentlich philosophischen Sinne wissen, was Energie darstellt, um diesen Begriff im Bereich der Physik sinnvoll und sicher anwenden zu können.

Ich denke, daß es hilft, sich als Annäherung an diesen Begriff Energie vorzustellen als Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Wenn man dann noch den Energieerhaltungssatz hinzufügt (also die Zusatzbestimmung: Eine Eigenschaft der Energie besteht darin, daß sie in einem geschlossenen System weder zu- noch abnimmt), ergibt sich dadurch die Konsequenz, daß sich ganz verschiedene Formen der Energie (ganz oder auch nur teilweise) ineinander umwandeln lassen: Beispielsweise potentielle, kinetische, chemische, thermische Energie usw.

Daraus würde also folgern: Wenn in einem System eine bestimmte Form der Energie abnimmt (z.B. kinetische Energie eines Autos), muß das, was im gleichen System infolgedessen zugenommen hat (also in diesem Fall die Erwärmung der Bremsen, der Reifen, der Straße usw. durch den Bremsvorgang), auch eine Form von Energie sein.

Jede einzelne Form der Energie läßt sich wahrscheinlich viel besser definieren, als ein Gesamtbegriff für Energie. Das, was die verschiedenen Formen der Energie miteinander verbindet, wäre also die Möglichkeit der Umwandlung von einer in die andere.

Da laut Relativitätstheorie Energie in Masse umgewandelt werden kann (Atombombe, Kernreaktor) und umgekehrt, kann man natürlich fragen, ob sich definitionsmäßig zwischen Energie und Masse eine Grenze ziehen läßt.

Ich würde mal annehmen, daß die Grenze durch den Teilchencharakter gezogen werden kann: Wenn etwas in Form von Teilchen vorhanden ist, kann man ihm auch eine Masse zuschreiben, ansonsten wäre es Energie.

(So betrachtet müßte der Energieerhaltungssatz zu einem Energie-Masse-Erhaltungssatz erweitert werden.)

Und damit wären wir wieder zurück bei Deiner Frage: Gerade im Bereich der kleinsten Elementarteilchen könnte man die Definition von Masse an konkreten Elementarteilchen festmachen, die Definition von Energie aber an deren Fehlen.

Eine allgemeine Definition der Energie müßte man also auch in der Größenordnung der Elementarteilchen schuldig bleiben:

Die 3 Grundprinzipien „Fähigkeit, Arbeit zu verrichten“, „Energieerhaltungssatz“, „Umwandlung von einer Form der Energie in eine andere“ müßten also als Gemeinsamkeit ausreichen; als Abgrenzung zur Masse käme dann noch „das Fehlen des Teilchencharakters“ (also eine negative Eigenschaft) hinzu.

Auch wenn wir somit per definitionem keine „Energieteilchen“ vorweisen können, kann sich aus der Quantentheorie eventuell ergeben, daß Energie in bestimmten Fällen nicht in beliebig kleinen Mengen weitergegeben werden kann, sondern daß die „Pakete“ eine (winzig kleine) Mindestgröße (Quantum) haben müssen.

Antwort
von Ottavio, 4

Es gibt nur eine Substanz, das ist Energie. (Vgl. Baruch Spinoza, Ethik, Satz 1).Alles, was existiert, ist Energie in der einen oder anderen Organisationsform. Die Gesamtmenge der Energie im Weltall ist konstant. In der Kernfusion und in der Kernspaltung wird Materie in andere Formen der Energie verwandelt, nach dem Urknall ist aus Energie Materie entstanden. Es gilt dabei E=mc². Also ist auch Materie nur eine Organisationsform der Energie. Auch der "Geist" ist nur eine Organisationsform von Energie - der menschliche ebenso wie jeder denkbare andere. Ein Professor der Quantenoptik begrüßte mich mit den Worten: "Ich weiß auch nicht, was Energie ist." Wir können Energie nicht definieren, weil wir nicht angeben können, was keine Energie ist..

Antwort
von DieMilly, 3

Kurze Erklärung: Energie ist fundamental eine abstrakte mathematische Größe eines Teilches (oder einer Menge von Teilchen), die sich beim Voranschreiten der Zeit nicht verändert. Man kann auch salopp sagen, dass Energie der Impuls eines Körpers in Richtung der Zukunft ist.

Ausführliche Erklärung:

Die Energie ist eine Schwester der Homogenität der ZeitDas hat etwas mit den inneren Symmetrien des Universums zu tun, also muss ich ein bisschen ausholen:

Definition: Wir sprechen allgemein von einer Symmetrie, wenn du etwas tust und dieser Vorgang das, was du berührt hast, unverändert lässt. Eine Kugel etwa ist symmetrisch für Rotationen um ihren Mittelpunkt: Egal wie du eine Kugel rotierst, ist sie am Ende genauso wie am Anfang. 

Wichtig: Wenn etwas symmetrisch ist, gibt es eine zugehörige Eigenschaft, die vorher und nachher gleich ist, denn nur deshalb ist es symmetrisch.

Die Erhaltungsgrößen der Natur (Energie, Impuls, etc.) sind eben diese Eigenschaften. Energie ist eine Zahl, die sich nicht ändert, wenn die Zeit voranschreitet. Ein Vorgang jetzt passiert oder eine Minute später, wird genau identisch ablaufen, wenn auch sonst alles drumherum gleich ist. Anders gesagt ist die Zeit selbst später nicht von anderer Beschaffenheit als jetzt. Diese Symmetrie heißt "Homogenität der Zeit". 

Simples Beispiel: Sagen wir, du schreibst heute eine Matheklausur und erhältst 95%. Nun stell dir vor du würdest stattdessen dieselbe Klausur morgen schreiben und auch dort 95% erhalten. Dein Ergebnis ist also symmetrisch in Bezug auf einen Versatz in der Zeit. Die Erhaltungsgrößen dabei sind in diesem Fall dein Wissen und deine Konzentration. Für ein Elementarteilchen ist Energie diese Größe, die gleich bleibt.

Zusatz: Der Impuls ist die Erhaltungsgröße bei Verschiebung im Raum (ob ein Vorgang hier oder dort stattfindet, ist egal: der Raum ist woanders nicht von anderer Beschaffenheit). Impuls und Energie sind daher Schwestern, genauso wie Raum und Zeit Schwestern sind. Daher kann man salopp sagen, dass Energie der Impuls eines Körpers in Richtung der Zukunft ist.

Antwort
von Fredi2721, 7

Ouuuhhh, sowas ließt ein Physiker nicht gerne :D

Bei dir ist alles miteinander vermischt...

Also Anfangs ist noch alles richtig. Bei willkürlich hörts allerdings auf. Das ist nicht willkürlich, sondern es gibt einfach verschiedene Energieformen.

Ein Flugzeug auf 10 km Höhe besitzt zum einen eine Höhenenergie (auch potentielle Energie genannt).
Neben der Höhenenergie fliegt das Flugzeug (im Bezug zur Erdoberfläche) mit einer Geschwindigkeit. Das ist seine Bewegungsenergie.
Außerdem hat es Treibstoff an Bord, welcher durch Verbrennung in Bewegung umgewandelt wird. Das ist die Chemische Energie.
Im Cockpit gibt es Instrumente, Leuchten, Sender,... diese sind alle elektrische Energie, da sie mit einer Energiequelle versorgt werden, die durch bewegte Elektronen die Geräte versorgt.
Das Licht, dass dann aus den Leuchten kommt, oder die Signalwellen, die die Sender versenden sind Strahlungsenergie.
Und zuletzt haben wir natürlich noch eine Heizung, die das ganze Flugzeug beheizt. Die Wärme in der Kabine nennt man einfach Wärmeenergie.

Alles sind Energien. Diese sind laut dem Entropiegesetz unterschiedlich viel Wert. So kann man z.B. aus elektrischer Energie problemlos Wärmeenergie erzeugen. Einfach ein Kurzschluss einer Batterie. Andersrum wird es aber viel schwieriger. Generell sind aber alle Energieformen umwandelbar. Energie ist Energie. Immer genau gleich viel und es geht nie etwas verloren. Energie wird nur umgewandelt in eine andere Form.

Blitze sind einfach nur Stromflüsse, also elektische Energie.

Und bevor du das alles nicht verstanden hast, solltest du dich nicht an die Relativitätstheorie wagen. Diese besagt letztendlich nur, dass die Energie Proportional zur Masse ist, bzw. da der Faktor konstant ist genau die Masse ist. Um das zu verstehen benötigst du einen ausgeprägten physikalischen Verstand.
Stephen Hawking schreibt das vermutlich so als Einleitung in einem mir nicht bekannten Buch. Ein Teilchen kann alle vorher genannten Energieformen haben. Letztendlich kann jede wieder in eine andere umgewandelt werden.

Antwort
von Raph101, 9

Wenn ich richtig liege ist Energie die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Inwiefern das nun auf Thermische Energie zutrifft ist mir ein Rätsel ^^

Antwort
von Feanor1169, 8

Sorry, ich hab da was vergessen. Hawking schreibt Energie könne umgewandelt werden. Was soll das heißen? Er hat Energie aber nicht mal im Glossar.

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