Arbeit und Energie

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Arbeit ✔ | Energie ✔ | Formen von Energie ✔ | Strahlungsenergie ✔ | Thermische Energie ✔

Arbeit

In der Alltagssprache bedeutet Arbeit vielleicht "einen Aufsatz schreiben" oder "den Garten umgraben". Aber für Wissenschaftler und Ingenieure hat Arbeit eine ganz präzise Bedeutung: Arbeit wird immer dann verrichtet, wenn eine Kraft etwas bewegt. Je größer die Kraft und je größer die Entfernung ist, desto mehr Arbeit wird geleistet.

Die SI-Einheit der Arbeit ist das Joule (J):


1 Joule Arbeit ist erledigt, wenn eine Kraft von 1 Newton (N) ein Objekt 1 Meter in Richtung der Kraft bewegt hat.


Was ist Arbeit?

Arbeit wird mit dieser Gleichung berechnet:

Arbeit = Kraft $\cdot$ Weg in Richtung der Kraft

Wenn zum Beispiel eine 4 N große Kraft ein Objekt 3 m weit bewegt, ist die geleistete Arbeit 12 J.

Energie

Dinge haben Energie, wenn sie Arbeit verrichten können. Eine komprimierte Feder hat Energie, ebenso das Benzin in einem Tank. Wie die Arbeit wird auch die Energie in Joule gemessen (J).

Obwohl man sagt, dass Energie gespeichert oder abgegeben werden kann, ist Energie kein "Ding". Wenn zum Beispiel eine komprimierte Feder 100 Joule Energie "gespeichert hat", ist dies nur ein Maß dafür, wie viel Arbeit sie verrichten kann.


Junger Bogenschütze
Ein voll gespannter Bogen speichert etwa 300 Joule Energie.

Energie kann verschiedene Formen annehmen. Diese sind weiter unten beschrieben. Um Formen von Energie zu verstehen, musst du Folgendes wissen:

  • Bewegte Objekte haben Energie. Zum Beispiel kann ein kräftig gekickter Fussball Arbeit verrichten, indem er in eine Fensterscheibe fliegt und diese zerbricht.
  • Stoffe bestehen aus Atomen oder Molekülen (Atomgruppen). Diese sind ständig in Bewegung. Zum Beispiel vibrieren die Atome auch in einem Feststoff wie Eisen. Wenn es erhitzt wird und seine Temperatur ansteigt, bewegen sich die Atome schneller. Ein Stoff hat also mehr Energie, wenn er heiß ist als wenn er kalt ist.

Atome vibrieren auch in einem Festkörper

Formen von Energie

Typische Energieformen in Joule (J)
kinetische Energie eines Fußballs wenn er gekickt wird 50
potenzielle Energie eines Skispringers oben auf einer Schanze 15.000
chemische Energie in einem Schoko-Riegel 300.000
kinetische Energie eines Autos, das mit 80 km/h fährt 500.000
thermische Energie, die benötigt wird, um einen Topf voll Wasser zum Kochen zu bringen 700.000
elektrische Energie, die von einer voll aufgeladenen Autobatterie geliefert wird 2.000.000
chemische Energie in den Lebensmitteln, die du an einem Tag zu dir nimmst 11.000.000
chemische Energie in einem Liter Benzin 35.000.000

Bei der Beschreibung verschiedener Energieformen werden manchmal folgende Begriffe verwendet:

Kinetische Energie

Kinetische Energie ist Energie aufgrund von Bewegung. Alle bewegten Objekte haben kinetische Energie.

Potentielle Energie

Das ist Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position, seiner Form oder seines Zustands hat. Es gibt verschiedene Arten von potentieller Energie. Hier sind einige der Begriffe, um sie zu beschreiben:

Potentielle Energie der Gravitation

Ein Stein, der in der Luft gehalten wird, kann, wenn er fallen gelassen wird, Arbeit verrichten, weil die Schwerkraft ihn nach unten zieht. Der Stein hat eine potentielle Gravitationsenergie.

Elastische potentielle Energie

Ein gedehntes Gummiband kann beim Loslassen Arbeit verrichten, genauso wie eine zusammengedrückte Feder. Beide haben elastische potentielle Energie.

Chemische potentielle Energie

Wenn ein Kraftstoff verbrennt, wird seine Energie durch eine chemische Reaktion freigesetzt. Die im Kraftstoff gespeicherte Energie wird chemische potentielle Energie oder kurz chemische Energie genannt. Batterien haben ebenfalls chemische Energie gespeichert, genauso wie Lebensmittel. Ohne die chemische Energie der Lebensmittel könntest du deine Muskeln nicht bewegen.

Elektrische potentielle Energie

In einem Elektrokabel bewegt sich ein Strom aus winzigen geladenen Teilchen, die Elektronen genannt werden. Diese stammen von den Atomen. Elektronen können beispielsweise Energie von einer Batterie zu einer Glühbirne übertragen. Sie haben elektrische potentielle Energie oder kurz elektrische Energie.

Nukleare potentielle Energie

Ein Atom hat in seiner Mitte einen Kern. Dieser besteht aus Teilchen, die dort von starken Kräften zusammengehalten werden. In einigen Atomen werden die Teilchen neu angeordnet, oder der Kern spaltet sich und Energie wird freigesetzt. Dies nennt man nukleare potentielle Energie, kurz Kernenergie.

Die folgenden Begriffe werden manchmal verwendet, wenn Energie beschrieben wird, die von einem Ort zum anderen oder von einem Objekt zum anderen übertragen wird:

Thermische Energie

Wenn heiße Objekte abkühlen, werden ihre Atome und Moleküle langsamer und verlieren Energie. Diese Energie ist bekannt als thermische Energie oder Wärme. Motoren nutzen thermische Energie, um Arbeit zu verrichten. Zum Beispiel erzeugt brennender Kraftstoff in einem Automotor heiße Gase, die sich ausdehnen und auf Kolben drücken, die sich dann bewegen. Die Bewegung der Kolben wird auf die Räder eines Autos übertragen, die sich dann drehen.

Strahlungsenergie

Die Sonne strahlt Licht aus. Lautsprecher strahlen Klang aus. Licht und Klang bewegen sich beide in Form von Wellen und Wellen haben Energie.


Fragen

Richtig ist:
60 J

Richtig ist:
0,5 m

Richtig ist:

10.000 J 35.000.000 J 500.000 J 200 J

Richtig ist:
18

5. Fragen zum fallenden Apfel

  1. Schreibe zwei Energieformen auf, die der Apfel hat.
  2. Orientiere dich an der Tabelle mit den Energiewerten weiter oben. In welcher Form denkst du, hat der Apfel die meiste Energie?
Newtons Apfel fällt vom Stamm

Richtig ist:

  1. Kinetische Energie, Chemische (potentielle) Energie
  2. Die meiste Energie hat der Apfel in Form von chemischer Energie

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