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Energie - 1 - Energieformen
Nach Young versetzt Energie einen Körper in die Lage, Arbeit zu verrichten => Kinetische Energie .
Nach W. Rankine besitzt ein angehobenes Gewicht einen energetischen Zustand => Potentielle Energie.
Arbeit ist physikalisch das Produkt aus Kraft und Weg. Maßeinheiten sind die verschiedenen Einheiten für Arbeit, z. B. Joule, Newtonmeter oder Wattsekunde. 1 J = 1 Ws = 1 Nm = 1kg m2 s-2 ist die Arbeit welche geleistet wird, wenn sich der Angriffspunkt einer Kraft von 1 N in Richtung der Kraft um 1 m verschiebt.
Ionisations- und Anregungsenergie wird meist in Elektronenvolt angegeben. Diese Energieeinheit ist das Produkt aus einem Volt und der Elementarladung eo, die bis auf das Vorzeichen gleich der Ladung des Elektrons ist (daher die irreführende Bezeichnung). 1 eV = 1,602 176 462 (63) x 10-19 J entsprechend einer Frequenz von 2.418 x 1014 Hz und einer Temperatur von 11 605 K nach dem Wellenlängenäquivalent
E [eV] = 1.240 x 10-6/ l [m] = 1240/ l [nm]
Ein Photon vom violetten Licht hat ca. 3 eV, eines vom roten Licht ca. 1,75 eV. Im Wasserstoffatom hat das Elektron im Ruhezustand die Bewegungsenergie 13,6 eV, entsprechend einer Geschwindigkeit c/137. Um das Elektron aus seiner Bindung zu lösen, sind noch einmal 13,6 eV nötig.
Nach J. Joule benötigt man zur Erzeugung einer Wärmeeinheit stets die gleiche Menge an potenzieller oder kinetischer Energie. Das ist die Grundlage des Energieerhaltungssatzes: Energie kann nur von einer Form in eine andere übergehen, aber weder erzeugt noch vernichtet werden.
Neben diesen gibt es noch Erhaltungssätze für den Impuls, den Drehimpuls, die elektrische Ladung und die Zahl der Baryonen. Sie gelten in abgeschlossenen physikalischen Systemen.
Energie gibt es in vielen Erscheinungsformen, doch die Summe aller an einer Energieumwandlung beteiligten Energieformen bleibt immer gleich.
Beispiele:
-Klassische kinetische Energie = die Arbeit, die ein bewegter Körper bei seiner Abbremsung leisten kann.
½ m n2 = p2 / 2m Ekin = (m n2) / 2
Die kinetische Energie wächst mit der Masse des Körpers und dem Quadrat seiner Geschwindigkeit.
(siehe auch Energie – 2 – Relativistische Energie)
-Potentielle Energie = die geleistete oder gewonnene Arbeit, wenn ein Körper in einem äußeren homogenen Kraftfeld (z. B. Gravitationsfeld, elektrisches Feld) seine Lage ändert.
Epot = G h = m g h
Die potentielle Energie wächst mit Gewichtskraft und Höhe, bzw. mit Masse des Körpers, seiner Höhe und der Erdbeschleunigung (9,81m/s).
-Wärmeenergie = kinetische Energie der ungeordneten Bewegungen. Atome und Moleküle eines jeden Körpers sind immer in Bewegung. Die Wärmeenergie wächst mit der Temperatur des Körpers.
-Anregungsenergie = die Energie, die einen quantenmechanischen System zugeführt werden muss, damit z. B. ein Elektron in einem Atom von seinem Grundzustand in einen höherenergetischen Zustand ( weiter vom Kern entfernt) gelangt. Bei Rückkehr in den Ausgangszustand kann die Anregungsenergie in Form eines Lichtquants ausgestrahlt werden.
-Ionisationsenergie = die Energie, die einem Atom zugeführt werden muss, um ein Elektron von ihm abzutrennen. Bei der Rekombination eines Elektron mit einem Ion wird diese Energie ausgestrahlt. Ionisation ist nur bei Erreichen eines Mindestwertes der zugeführten Energie möglich, wobei jeder Ionisationsenergie eine bestimmte Stelle im Spektrum entspricht (der Grenzwellenlänge). Nur Strahlung mit einer kleineren Wellenlänge (bzw. höheren Frequenz) als diese Grenzwellenlänge kann die Ionisation eines Elements verursachen.
So ist die Grenzwellenlänge für Wasserstoff 91,2 nm (entsprechend einer Ionisationsenergie von 13,6 eV = 2,18 x 10-18 J) und für neutrales Helium 50,2 nm (entsprechend einer Ionisationsenergie von 24,6 eV). Eine höhere zugeführte Energie wird dem abgelösten Elektron als Bewegungsenergie mitgegeben.
-Strahlungsenergie = die Energieträger sind Photonen. Für die Energie eines Quants gilt
Kurzwellige Strahlung (l klein) hat energiereichere Quanten als langwellige Strahlung. Die Strahlungsenergie steigt mit der Frequenz. Die Energiesumme aller Lichtquanten ergibt die gesamte Strahlungsenergie.
-Ruhmasseenergie = die nach der Speziellen Relativitätstheorie einer ruhenden Masse äquivalente Energie.
Eo = m c2 = (mo c) / (1-n2/c2)1/2
-Gravitationsenergie = potentielle Energie beim Wirken von Gravitationskräften. Beim Massepunkt m im Abstand r von einer punktförmigen Zentralmasse M ergibt sich mit Newtons Gravitationsgesetz
F(r) = G (mi mk/r2)
die potentielle Energie
Epot (r) = -m (GM/r)
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