Mentorin: Was kommt dir in den Sinn, wenn ich sage, dass ein Mensch viel Energie hat?
Schüler: Diese Person ist sehr aktiv, macht viele Dinge schnell, usw.
Mentorin: Richtig, und die wissenschaftliche Definition von Energie unterscheidet sich nicht sehr von dieser Vorstellung. Im Grunde ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.
Schüler: Aber energiegeladene Menschen verrichten nicht immer Arbeit. Unterscheidet sich die wissenschaftliche Definition von Arbeit von der normalen Definition?
Mentor: Ganz genau! Im wissenschaftlichen Sinne ist Arbeit eine Kraft, die parallel zur Bewegungsrichtung ausgeübt wird. Fällt dir ein Beispiel ein?
Schüler: Wenn du eine Kiste anhebst, übst du eine Kraft nach oben aus, die Kiste bewegt sich nach oben, und du verrichtest Arbeit.
Mentor: Richtig. Wenn man bedenkt, dass Energie die Fähigkeit ist, Arbeit zu verrichten, weißt du dann, welche Arten von Energie es gibt?
Schüler: Nun, da Energie mit der Bewegung von Objekten zu tun hat, gibt es eine Energie der Bewegung?
Mentor: Ja, das nennt man kinetische Energie. Man sagt, dass jedes Objekt, das sich bewegt, kinetische Energie hat. Was passiert nun mit der Energie, wenn man einen Ball in die Luft wirft?
Schüler: Mal sehen… Während der Ball in die Luft steigt, nimmt die Geschwindigkeit des Balls ab. Bedeutet das, dass die Energie abnimmt? Und wenn er dann herunterkommt und schneller wird, nimmt die Energie dann zu?
Mentor: Die kinetische Energie nimmt ab, wenn der Ball in der Luft aufsteigt und langsamer wird. Wenn der Ball dann herunterkommt und an Geschwindigkeit gewinnt, nimmt die kinetische Energie zu. Weißt du, warum ich die kinetische Energie angebe?
Schüler: Gibt es neben der kinetischen Energie noch andere Arten von Energie?
Mentor: Das ist genau richtig! Nach dem Energieerhaltungssatz muss die Energiemenge in einem System immer konstant bleiben. Aber wir wissen, dass die kinetische Energie abnimmt und zunimmt, wenn wir einen Ball in die Luft werfen. Was glaubst du, wie das passiert?
Schüler: Die kinetische Energie nimmt auf jeden Fall ab und zu, also muss es eine andere Art von Energie geben, die das Objekt erhält, wenn es aufsteigt.
Mentor: Richtig, diese Art von Energie nennt man potentielle Energie. Erinnerst du dich, dass ich gesagt habe, dass Energie lediglich die Fähigkeit ist, Arbeit zu verrichten? Wenn sich Objekte in der Luft nach oben bewegen, steigt ihre potenzielle Energie aufgrund der Schwerkraft – ein Ball, der hoch in der Luft ist, kann fallen gelassen werden, wodurch er Arbeit verrichten kann.
Schüler: Das macht Sinn. Ich denke, wenn man einen Ball hoch in die Luft wirft, muss die potentielle Energie zunehmen, wenn die kinetische Energie abnimmt und umgekehrt, so dass die Gesamtenergie immer gleich ist.
Mentor: Ja. Die potentielle Energie hat damit zu tun, wie hoch ein Gegenstand ist und wie die Schwerkraft an ihm zieht. Aber genug mit der potentiellen und der kinetischen Energie, gibt es noch andere Arten von Energie?
Schüler: Ich kenne keine anderen Möglichkeiten, Arbeit zu verrichten, als Objekte zu bewegen.
Mentor: Nun, wenn dir keine andere Art von Energie einfällt, versuche es noch einmal mit dem Energieerhaltungssatz. Warum hält ein Zug an, wenn man auf die Bremse tritt? Er verliert kinetische Energie, gewinnt aber keine potentielle Energie.
Schüler: Ich habe immer gehört, dass Züge aufgrund von Reibung anhalten, also muss Reibung eine Art von Energie sein.
Mentor: Du bist auf der richtigen Spur. Zur Reibung gehören verschiedene Arten von Energie, die man wahrnehmen kann, wenn ein Zug anhält:
- Thermische Energie, das ist Wärme, die durch Reibung entstehen kann.
- Schallenergie, das ist das Geräusch, das man hört, wenn ein Zug zum Stillstand kommt.
- Lichtenergie, die du vielleicht in Form von Funkenflug oder rot glühendem Metall am Zug siehst.
Schüler: Das heißt also, wenn man prüft, ob die Gesamtenergie konstant bleibt, muss man auch all diese anderen Energieformen mit einbeziehen.
Mentor: Korrekt! Aber es gibt noch ein paar weitere Energieformen, die man berücksichtigen muss.
Schüler: Moment mal, wie finden die Physiker eigentlich all diese Energiearten? Wie kann man feststellen, ob etwas Energie ist oder nicht?
Mentor: Der einfachste Weg, andere Energiearten zu finden, ist, sich ein reales Beispiel vorzustellen, bei dem es so aussieht, als ob die Energie nicht erhalten bleibt. Der Energieerhaltungssatz ist immer richtig, also muss es eine oder mehrere andere Energiearten geben, um eventuelle Defizite auszugleichen. Was passiert zum Beispiel mit der Energie einer Person, wenn sie auf einem Trampolin springt?
Schüler: Wenn sie landen, nehmen ihre Geschwindigkeit und ihre kinetische Energie ab, aber sie gehen zu Boden, also nimmt auch ihre potenzielle Energie ab. Trampoline machen zwar Geräusche und geben etwas Wärme ab, wenn man darauf springt, aber das kann nicht ausreichen, um den Fall komplett umzukehren. Außerdem wird bei der Landung irgendwie genug Energie gespeichert, um dich wieder nach oben zu befördern. Es muss also eine Art „Federenergie“ geben, die Trampoline beim Dehnen gewinnen.
Mentor: Ja, die „Federenergie“, auf die du dich beziehst, heißt mechanische Energie und beschreibt die gespeicherte Energie von Federn, Gummibändern und, ja, Trampolinen.
Schüler: Das scheint ziemlich einfach zu sein. Gibt es noch andere Arten von Energie?
Mentor: Es gibt noch drei weitere Formen von Energie. Kannst du eine davon aus deinem Leben und deinen Erfahrungen herausfinden?
Schüler: Nun, wenn ich ein Licht einschalte, muss etwas Lichtenergie erzeugen, ist Elektrizität also eine Art von Energie?
Mentor: Auf jeden Fall, elektromagnetische Energie – die Energie von elektromagnetisch geladenen Teilchen – ist eine der praktischsten Energieformen, weil sie über große Entfernungen übertragen und in Form von Batterien leicht gespeichert werden kann. Im Grunde genommen ist elektromagnetische Energie die Energie der Anziehung zwischen positiv und negativ geladenen Teilchen. Ein Strom von Elektronen, der entlang eines Drahtes zirkuliert, ist wie Wasser, das einen Bach hinunterfließt: Die Kraft seiner Bewegung kann genutzt werden, um Arbeit zu verrichten.
Schüler: Und diese Art von Energie sehen wir in der ganzen Elektronik, die wir benutzen, richtig?
Mentor: Richtig! Allerdings arbeiten Physiker derzeit an einer so genannten Grand Unified Theory, die elektromagnetische und Gravitationskraft zusammenfasst, so dass Ihre Kinder vielleicht nur eine Art von Energie und Kraft weniger lernen müssen.
Schüler: Wow, manchmal vergesse ich, dass sich die Physik immer noch verändert, wenn neue Entdeckungen gemacht werden. Man neigt dazu, mathematische Studien als feststehend zu betrachten, aber tatsächlich werden Theorien ständig geändert, wenn neue Entdeckungen gemacht werden.
Mentor: Guter Punkt. In der Tat wurde eine der moderneren Energieformen erstmals 1905 theoretisiert und in den 1940er Jahren erfolgreich eingesetzt – die Kernenergie. Aber es gibt noch eine bekannte Energieform. Nehmen wir die Verbrennung von Holz. Wie hoch ist der Energieeinsatz und -ausstoß?
Schüler: Mal sehen, um Holz zu verbrennen, muss man es zuerst in Brand setzen, was Wärmeenergie erfordert, aber dann produziert das Holz viel mehr Wärme- und Lichtenergie als der Funke, der das Feuer ausgelöst hat. Vielleicht verliert das Holz beim Verbrennen an Masse, denn nach dem Feuer bleibt immer weniger Asche übrig als vorher Holz war.
Mentor: Das ist eine interessante Idee, aber die einzige Möglichkeit, Materie in Energie umzuwandeln, ist ein nuklearer Prozess, und ein Lagerfeuer verursacht eindeutig keine nukleare Explosion. Die ganze fehlende Masse, die du erwähnst, verlässt das Feuer in Form von Rauch und Wasserdampf. Nein, die Energie des Holzes ist etwas ganz anderes: chemische Energie.
Schüler: Chemische Energie ist also die Energie, die in allem Brennbaren gespeichert ist?
Mentor: Alles, was brennbar ist, hat natürlich chemische Energie, aber chemische Energie kann auch in nicht brennbaren Gegenständen gespeichert sein. Im Allgemeinen ist die chemische Energie die Energie, die in den Bindungen zwischen den Atomen gespeichert ist. Wenn Holz brennt, werden diese Bindungen aufgebrochen und die Energie wird in Form von Licht und Wärme freigesetzt.
Schüler: Chemische Energie ist also stoffspezifisch, wie die Wärmeenergie.
Mentor: Ja, viele der Energiearten sind miteinander verwandt. Das Wichtigste, was man sich merken sollte, ist das Gesetz der Energieerhaltung. Egal, welches Problem man löst, die Gesamtenergie des Systems muss immer konstant bleiben.