Woher kommt unsere Energie?
b) Energiebilanzen
Energie kommt aus dem Griechischen von "energeia" und bedeutet so viel wie Tatkraft. Energie ist unsichtbar, eine Rechengröße, und kann nur an ihren Wirkungen erkannt werden: Sie ist nötig wenn etwas in Bewegung gesetzt, schneller gemacht, hochgehoben bzw. erwärmt werden soll, sie ist z.B. in Rohstoffen gespeichert. Ohne Energie ist kein Leben möglich.
Physikalisch lassen sich die wichtigsten Kennzeichen des Energiebegriffs in vier Aspekten zusammenfassen: Energietransport, Energieumwandlung, Energieerhaltung und Energieentwertung. Diese Energiequadriga kann in sehr unterschiedlichen Konzeptualisierungen eingebettet sein. Eine übliche wäre z.B. "Energie als Fähigkeit, Veränderungen zu bewirken und als Voraussetzung für den Ablauf von Prozessen."
Weitere Merkmale des Energiebegriffs sind:
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern lediglich von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Dabei bleibt die Menge der Energie in einem abgeschlossenen System konstant, wobei der nutzbare Anteil der Energie sich verändern kann. Das Prinzip der Energieerhaltung ist bis zum jetzigen Zeitpunkt immer bestätigt worden.
Diese Beschreibung wird in zwei Sätzen der Wärmelehre festgehalten:
1. Hauptsatz der Wärmelehre: Prinzip der Energieerhaltung: Bei jedem Vorgang bleibt in einem abgeschlossenen System die Energie (mengenmäßig) erhalten: Energie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden.
2. Hauptsatz der Wärmelehre: Prinzip der Energieentwertung: Energie wird insofern "verbraucht", d.h. entwertet, als dass nach der Umwandlung nur noch ein geringer Teil genutzt werden kann.
Für Schüler ist der Energiebegriff in der Alltagssprache mit vielen Assoziationen belegt: z.B. zu geistiger Tätigkeit, Sport, Nahrungsaufnahme, Fortbewegung, Energiekrise. Die Kenntnisse aus der traditionellen Herleitung des Energiebegriffs im Physikunterricht über die Definitionen Arbeit, Kraft, Leistung können zu folgendem vermeintlichen Widerspruch führen:
"Weshalb gibt es eine Energiekrise, wenn die Energie doch erhalten bleibt?"
Durch die unterschiedlichen Konzeptualisierungen, d.h. Erstellung von Konzepten für den Energiebegriff in den Fächern Physik und Erdkunde können sich deshalb Verständnisschwierigkeiten ergeben:
Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre sieht im Gegensatz zu den im allgemeinen Sprachgebrauch benutzten Begriffen Energieerzeugung und -verbrauch: Bei Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kernkraftwerk handelt es sich z.B. nur insofern um Erzeugung, als die elektrische Energie zuvor nicht vorhanden war. Sie ist aber aufgrund der Umwandlung anderer Energieformen (wie z.B. bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe) entstanden und hat nichts mit "Energieerzeugung" im Sinne von "Neuerschaffung" von Energie zu tun.
Auch die Redewendung "Energieverbrauch" führt hier zu Irritationen und kann über den 2. Hauptsatz der Wärmelehre, das Prinzip der Energieentwertung aufgefangen werden, wenn "Verbrauch" im Sinne einer Entwertung von Energie verstanden wird, d.h., dass die Energie nach der Energieumwandlung an Nutzwert eingebüßt hat.
Wichtig ist ebenso die Verdeutlichung, dass sich beide Hauptsätze auf geschlossene Systeme beziehen, über deren Systemgrenze keine energetische Wechselwirkung stattfindet. Die Erde ist jedoch keine abgeschlossenes System. Im Gesamtsystem des Weltalls bleibt die Energie erhalten, in unserem offenen Teilsystem "Planet Erde" geht jedoch ein Teil in den Weltraum verloren. Dies zu vertiefen eignet sich die Abbildung von "Maler Klecksel".
Nachfolgend soll deshalb ein Weg skizziert werden, die wichtigsten Erscheinungsformen von Energie zu umschreiben.
Die verschiedenen "Charakteristika" der Energie, wie sie nachfolgend skizziert werden, sollten im Unterricht anhand von Experimenten und Beispielen aus der Erfahrungswelt belegt werden, um damit den obengenannten Widerspruch aufzulösen und zu einem größeren Verständnis der Energiethematik zu gelangen.
In einem Wärmekraftwerk wird chemische Energie bei der Verbrennung in Wärmeenergie, diese in der Dampfturbine in mechanische Energie und diese schließlich im Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Die Summe aller Energien des gesamten Weltalls ist unveränderlich.
Die gesetzlich festgelegte Einheit der Energie sind das Joule (=Wattsekunde) und dessen dezimale Vielfache und Teile, z.B. das Kilojoule (1kJ = 1000J). Andere Energieeinheiten sind die Kalorie und (in der Atomphysik) das Elektronvolt.
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