PhysikExperimentalphysik

Energieumwandlung, auch Energiewandler genannt, ist der Prozess der Umwandlung von Energie von einer Form in eine andere.

In der Physik ist Energie eine Größe, die die Fähigkeit zur Verrichtung von Arbeit oder Bewegung (z. B. Heben eines Objekts) oder zur Bereitstellung von Wärme bietet. Nach dem Energieerhaltungssatz kann Energie nicht nur umgewandelt, sondern auch an einen anderen Ort oder ein anderes Objekt übertragen werden, aber sie kann nicht erzeugt oder zerstört werden.

Die Energie kann in vielen ihrer Formen in natürlichen Prozessen oder zur Erbringung von Dienstleistungen für die Gesellschaft verwendet werden, z. B. zum Heizen, Kühlen, Beleuchten oder zur Ausführung mechanischer Arbeiten zum Betrieb von Maschinen. Um beispielsweise ein Haus zu heizen, verbrennt der Ofen Brennstoff, dessen chemische potenzielle Energie in thermische Energie umgewandelt wird, die dann auf die Luft im Haus übertragen wird, um die Temperatur zu erhöhen.

Beispiele

Beispiele für Energiewandlung in Maschinen:

In einem solchen System sind die erste und die vierte Stufe hocheffizient, die zweite und die dritte Stufe sind jedoch weniger effizient. Die effizientesten gasbefeuerten Kraftwerke erreichen einen Umwandlungswirkungsgrad von 50 %, während Öl- und Kohlekraftwerke weniger effizient sind.

In einem herkömmlichen Kraftfahrzeug finden die folgenden Energieumwandlungen statt:

  1. Chemische Energie im Kraftstoff wird durch Verbrennung in kinetische Energie des expandierenden Gases umgewandelt
  2. Kinetische Energie des expandierenden Gases wird in eine lineare Kolbenbewegung umgewandelt
  3. Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in eine Drehbewegung der Kurbelwelle
  4. Die Drehbewegung der Kurbelwelle wird in das Getriebe übertragen
  5. Die Drehbewegung wird aus der Getriebebaugruppe herausgeführt
  6. Drehbewegung wird durch ein Differential geleitet
  7. Die Drehbewegung wird aus dem Differential auf die Antriebsräder übertragen
  8. Umwandlung der Drehbewegung der Antriebsräder in eine lineare Bewegung des Fahrzeugs

Wärmeenergie

Wärmeenergie ist einzigartig, weil sie in den meisten Fällen nicht in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Nur ein Unterschied in der Dichte der Wärmeenergie (Temperatur) kann zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden, und der Wirkungsgrad dieser Umwandlung liegt (weit) unter 100 %. Dies liegt daran, dass thermische Energie eine besonders ungeordnete Form von Energie darstellt; sie ist zufällig auf viele verfügbare Zustände einer Ansammlung von mikroskopischen Teilchen verteilt, die das System bilden (diese Kombinationen von Position und Impuls für jedes der Teilchen bilden einen Phasenraum).

Das Maß für diese Unordnung oder Zufälligkeit ist die Entropie, und ihr bestimmendes Merkmal ist, dass die Entropie eines isolierten Systems niemals abnimmt. Es ist nicht möglich, ein System mit hoher Entropie (z. B. eine heiße Substanz mit einer bestimmten Menge an Wärmeenergie) in einen Zustand mit niedriger Entropie (z. B. eine Substanz mit niedriger Temperatur und entsprechend geringerer Energie) zu überführen, ohne dass diese Entropie an anderer Stelle (z. B. in der umgebenden Luft) verloren geht. Mit anderen Worten: Es gibt keine Möglichkeit, Energie zu konzentrieren, ohne dass sich die Energie an anderer Stelle ausbreitet.

Effizienz

Um die Energieumwandlung effizienter zu gestalten, ist es wünschenswert, die thermische Umwandlung zu vermeiden. So liegt der Wirkungsgrad von Kernreaktoren, bei denen die kinetische Energie der Kerne zunächst in thermische und dann in elektrische Energie umgewandelt wird, bei etwa 35 %. Durch die direkte Umwandlung der kinetischen Energie in elektrische Energie, die durch den Wegfall der zwischengeschalteten thermischen Energieumwandlung erfolgt, kann der Wirkungsgrad des Energieumwandlungsprozesses erheblich verbessert werden.