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Energieerhaltungssatz

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André Otto
Energieerhaltungssatz
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Grundlagen zum Thema Energieerhaltungssatz

Inhalt

Energieerhaltungssatz – Chemie

Energie ist eine sehr wichtige Größe in der Physik. Aber was hat Energie mit Chemie zu tun? Bei chemischen Reaktionen laufen nicht nur Stoffumwandlungen, sondern gleichzeitig auch Energieumwandlungen ab. Energie kann aufgenommen oder abgegeben werden. Aber was ist Energieerhaltung einfach erklärt und wie gestaltet sich das in der Chemie? Das wollen wir uns im folgenden Text genauer ansehen.

Was heißt der Energieerhaltungssatz in der Chemie? – Definition

Der Begriff Energie bedeutet anschaulich ausgedrückt die Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszustrahlen. Dabei gibt es verschiedene Energieformen. Energie kann auch von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. Man spricht dabei auch von der sogenannten Energieumwandlung (Chemie).

Einige in der Chemie wichtige Energieformen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Energieerhaltungssatz für Kinder erklärt

Beim Einsatz von Elektroautos wird beispielsweise elektrische Energie in mechanische Energie (Bewegung) umgewandelt und bei Verbrennungsprozessen wird chemische Energie in thermische Energie (Wärme) umgewandelt.

Der Energieerhaltungssatz in Chemie – Beispiele

Chemische Reaktionen sind Stoffumwandlungen, bei denen Teilchen umgeordnet, chemische Bindungen gespalten und wieder neu geknüpft werden und neue Stoffe entstehen. Diese Umordnung der Teilchen sowie die Veränderung der chemischen Bindungen benötigt Energie (endotherm) oder setzt Energie frei (exotherm). Es finden also Energieumwandlungen statt.

Die Umwandlung von einer Energieform in eine andere kann bei chemischen Reaktionen nicht vollständig erfolgen. Chemische Energie wird stets in mehrere andere Energieformen umgewandelt.

In der folgenden Abbildung siehst du ein Beispiel für die Energieerhaltung in der Chemie.

Ist der Energieerhaltungssatz bewiesen? Spezialfälle

Bei chemischen Reaktionen kann chemische Energie in diverse andere Energieformen umgewandelt werden. Am bekanntesten ist dabei die Umwandlung in Wärmeenergie (thermische Energie) oder in kinetische Energie. Auch die Umwandlung in elektrische Energie und die Entstehung von Lichtenergie ist möglich. In der folgenden Tabelle findest du einige Beispiele für Energieumwandlungen von chemischer Energie in andere Energieformen.

Energieumwandlung Beispiel
chemische Energie $\rightarrow$ thermische Energie exotherme chemische Reaktionen
chemische Energie $\rightarrow$ kinetische Energie Düsentriebwerk
chemische Energie $\rightarrow$ elektrische Energie Batterie, Brennstoffzelle, Akkumulator
chemische Energie $\rightarrow$ Lichtenergie Glühwürmchen, Kerzenflamme

Wie lautet der allgemeine Energieerhaltungssatz?

Nun wissen wir, was Energie in der Chemie bedeutet. Aber gibt es auch eine Formel für den Energieerhaltungssatz? Der Energieerhaltungssatz entspricht dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Er lautet: Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen/isolierten Systems verändert sich nicht. Das heißt anders ausgedrückt, dass Energie weder erschaffen noch vernichtet werden kann. Nur die Umwandlung in andere Energieformen ist möglich. Der Energieerhaltungssatz kann als Formel so notiert werden:

$\ce{E = E1 + E2 + …. + E_n ~~~ oder ~~~\Delta{E} = 0}$

In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien also konstant und die Gesamtenergie ($\ce{E}$) bleibt erhalten. Von einem abgeschlossenen oder isolierten System spricht man, wenn kein Stoff- und Energieaustausch mit der Umgebung erfolgen kann – weder Materie noch Energie können entweichen oder aufgenommen werden. Das ist zum Beispiel bei einer Thermoskanne der Fall.

Ein geschlossenes System lässt kein Stoff- oder Materieaustausch mit der Umgebung zu. Die Energie, zum Beispiel als Wärme, kann im geschlossenen System jedoch weiterhin ein- und austreten. Setzt man einen Stöpsel luftdicht auf das Reagenzglas, hat man so ein System.

Im Chemielabor arbeitet man hingegen oft mit einem offenen System. Zum Beispiel wenn man mit einem Reagenzglas arbeitet, das mit einem Stoff gefüllt ist und oben offen ist. Bei einem solchen System muss bedacht werden, dass weiterhin Stoffe oder Wärme entweichen oder aus der Luft ins Glas gelangen können. Bei offenen Systemen legt man deshalb einen Bereich oder Ausschnitt fest, den man betrachtet.

In nicht isolierten Systemen kann es zu einem sogenannten Energieverlust kommen. Der Energieerhaltungssatz besagt doch, dass Energie nicht einfach verschwinden kann. Wie ist das möglich?

Energieverluste kann es in dem Sinne geben, dass Energie auf unerwünschte Weise in eine andere, nicht weiter nutzbare Energieform umgewandelt wird. Echte Energieverluste gibt es nicht!

Zum Beispiel wird bei Bewegungen zwischen zwei Oberflächen eine Reibung erzeugt. Die Reibungswärme kann nicht mehr zur Bewegung genutzt werden. Damit die Bewegung aufrechterhalten werden kann, muss ständig neue Energie zugefügt werden.

Dieses Video

In diesem Video wird erklärt, was Energie überhaupt ist und welche Energieformen es gibt. Im Anschluss wird dann auf Energieumwandlungen ganz allgemein und speziell bei chemischen Reaktionen eingegangen. Dann wird der Energieerhaltungssatz für Kinder erklärt und es werden Energieverluste durch die Umwandlung in Wärmeenergie aufgezeigt.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungen zum Energieerhaltungssatz, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Häufige Fragen zum Thema Energieerhaltungssatz

Was ist der Energieerhaltungssatz?
Was besagt der Energieerhaltungssatz (Beispiele)?

Transkript Energieerhaltungssatz

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt: Energieerhaltungssatz. Als Vorkenntnisse solltet ihr die Chemie für den Anfängerunterricht bereits besucht haben. Und in Physik solltet ihr wissen, worum es sich bei Arbeit und Energie handelt. Mein Ziel ist es, bei euch ein Verständnis von Energieformen, Energieumwandlungen, dem Energieerhaltungssatz und von Energieverlusten zu entwickeln. Der Film gehört zur Reihe "Reaktionen". Ich habe ihn in 7 Abschnitte untergliedert:

  1. Was ist Energie?
  2. Verschiedene Energieformen
  3. Energieumwandlungen
  4. Energieumwandlungen bei chemischen Reaktionen
  5. der Energieerhaltungssatz
  6. Energieverluste Und 7. Zusammenfassung

  7. Was ist Energie? Ich nehme diese Tasse einer bestimmten Masse und hebe sie etwa einen halben Meter in die Höhe. Die Tasse wurde gehoben. Physikalisch bedeutet das: An der Tasse wurde Arbeit verrichtet. Bei dieser Arbeit handelt es sich um Hubarbeit. Die Tasse wurde um 0,5 Meter angehoben. Ihre Masse beträgt 0,4 Kilogramm. Die Arbeit berechnet sich nach der Formel: m×g×h. Wir rechnen 0,4 Kilogramm × 9,81 Meter pro Quadratsekunde, die Erdbeschleunigung, × 0,5 Meter, das ist gerade die Hubhöhe. Die geleistete Arbeit beträgt somit 2NM oder 2J. Die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, bezeichnet man als Energie.

  8. Verschiedene Energieformen: Ich möchte die wichtigsten Energieformen in einer Übersicht vorstellen und dann Beispiele dazu nennen. Mechanische Energie, das sind kinetische oder potenzielle Energie. Chemische Energie, Wärmeenergie, elektrische Energie, Lichtenergie und Kernenergie. Mechanische Energie liefert jeder Verbrennungsmotor. Kinetische Energie liefern diese Fußballer. Potentielle Energie erhält man, wenn man diesen Berg erklimmt. Der Ofen liefert Wärmeenergie. Elektrische Energie liefert die Starterbatterie. Chemische Energie schlummert in der Kohle. Auf Kernenergie setzte man früher sehr große Hoffnungen; heute soll sie abgeschafft werden.

  9. Energieumwandlungen: Ich habe einmal die Energieformen in einer Übersicht dargestellt. Kinetische Energie und potentielle Energie sind ineinander umwandelbar. Das Gleiche gilt für chemische Energie und Wärmeenergie. Aus kinetischer Energie lässt sich elektrische Energie gewinnen und auch umgekehrt. Die erste Richtung ist der Generator, seht ihr hier; die zweite das Elektroauto. Auch elektrische und chemische Energie gehen auseinander hervor. Elektrische Energie kann Wärmeenergie liefern, umgekehrt wird es schwer. In jedem Kraftwerk erhält man aus Wärmeenergie kinetische Energie. Aus Kernenergie entsteht dort Wärmeenergie. Aus elektrischer Energie erhalten wir Lichtenergie, sonst könnten wir das alles nicht sehen. Und auch die Kernenergie liefert indirekt Lichtenergie. Chemische Reaktionen sind ebenfalls mit Lichterscheinungen verbunden. Man kann auch aus der chemischen Energie direkt kinetische Energie gewinnen.

  10. Energieumwandlungen bei chemischen Reaktionen: Bei chemischen Reaktionen kann die chemische Energie in verschiedene andere Energieformen umgewandelt werden. Am bekanntesten ist die Wärmeenergie oder die kinetische Energie. Auch die Umwandlung in elektrische Energie ist möglich. Und schließlich kann Lichtenergie entstehen.

Kommen wir nun schließlich 5. zum Energieerhaltungssatz: Traut ihr euch zu, ihn zu formulieren? Vielleicht so: Energie kann weder erschaffen noch vernichtet werden. Nur die Umwandlung in andere Energieformen findet statt. Ach, Albert - du bist wirklich unsterblich! Wisst ihr, worauf Einstein hinaus will? Richtig, es ist die berühmte Gleichung E = m×c². Energie und Masse können ineinander umgewandelt werden. Die Massen sind allerdings sehr, sehr klein und wir werden das erst in der Oberstufe behandeln.

  1. Energieverluste: Wenn der Energieerhaltungssatz gilt, warum spricht man dann von Energieverlusten? Das geschieht in zwei Fällen. Einmal, wenn chemische Energie, mechanische Energie oder elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden und man will es vielleicht gar nicht. Und die zweite Möglichkeit: Es wird Wärmeenergie produziert, doch anstatt den Menschen zu wärmen, gelangt sie einfach in die Natur und geht sozusagen verloren. Beide Situationen widersprechen dem Energieerhaltungssatz nicht. Wir stellen fest: Energieverluste gibt es nicht. Das Wort Energieverluste bedeutet: 1. Umwandlung von nützlicher Energie in Wärmeenergie oder 2. Verlust von Wärme durch Auskühlen.

  2. Zusammenfassung: Verschiedene Energieformen können verlustfrei ineinander umgewandelt werden. Ist dem Menschen eine Umwandlung nicht genehm, so spricht er von Energieverlusten.

Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!

8 Kommentare
8 Kommentare
  1. OH NOOO

    Von Denis V., vor etwa 7 Jahren
  2. Ich hab dazu nichts gedreht. Wenn überhaupt, dann unter PSE in Chemie ODER Physik.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 8 Jahren
  3. Hallo,
    wo finde ich Videos über Ionisierungsenergie?

    Von A Susan72, vor fast 8 Jahren
  4. Das tut mir wirklich leid. Vielleicht gibt es noch ähnliche Videos zu diesem Thema.
    Alles Gute
    André Otto

    Von André Otto, vor etwa 8 Jahren
  5. ich verstehe nicht obwohl alles gemacht

    Von Tpruem, vor etwa 8 Jahren
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Energieerhaltungssatz Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Energieerhaltungssatz kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Begriff der Energie.

    Tipps

    Wofür kann Energie verwendet werden?

    Lösung

    Energie wird im alltäglichen Sprachgebrauch oft benutzt. Es ist aber ein sehr abstrakter Begriff, der schwer greifbar ist. In der Physik wird Energie als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten definiert. Mit Energie kann man also Körper bewegen, etwas aufheizen oder Strom fließen lassen. Wir sind ständig von Energie umgeben und tragen diese auch in uns.

  • Bestimme die vorherrschende Energieform.

    Tipps

    Wenn man auf einen Berg steigt, gewinnt man an Höhe. Welche Energieform wird damit erhöht?

    Was macht Kohle so energiereich? Wie ist die Energie in ihr gebunden?

    Lösung

    Beim Feuer ist eine Energieumwandlung von chemischer Energie, die im Holz steckt, in Wärme- und Lichtenergie zu beobachten. Beim Besteigen eines Berges erhöht man seine eigene potentielle Energie, da man sich weiter vom Zentrum der Schwerkraft entfernt. In der Kohle ist chemische Energie gebunden, die über Jahrmillionen in ihr konzentriert wurde. Beim Fussballspielen benutzen wir die chemische Energie aus unserem Essen, um kinetische (Bewegungs-)Energie zu erzeugen. In einer Batterie wird durch chemische Reaktionen chemische Energie in elektrische umgewandelt.

  • Begründe, warum man von Energieverlust spricht, obwohl der Energieerhaltungssatz gilt.

    Tipps

    Energie geht bei Maschinen unter anderem durch Reibung „verloren“.

    Reibe deine Hände schnell für 5 Sekunden aneinander. Was bemerkst du dabei an deinen Handflächen?

    Was besagt der Energieerhaltungssatz? Dieser kann dir bei der Beantwortung helfen.

    Lösung

    Bei allen mechanischen Prozessen gibt es Reibung, dadurch wird Energie, die eigentlich einem anderen Zweck dienen soll, in Wärmeenergie umgewandelt.

    Dies ist auch bei einer Glühbirne der Fall. Elektronen passieren einen dünnen Draht im Vakuum der Glühbirne. Diese Elektronen stoßen an die Atome innerhalb des Drahts. Es entsteht Reibung und der Draht beginnt zu glühen. Dabei leuchtet der Draht auf, aber es entsteht auch eine beträchtliche Wärme.

    Dies passiert auch, wenn wir uns bewegen. Im Muskel selbst entsteht Reibung als Nebenprodukt der kinetischen Energie, die wir erzeugen wollen. Dadurch wird uns bei intensivem Sport sehr warm und wir fangen an zu schwitzen.

  • Gib an, welche Energieumwandlung stattfindet.

    Tipps

    Welche Energie möchte man erhalten, wenn man ein Feuer anzündet?

    Welche Form von Energie ist in einer Batterie gespeichert?

    Lösung

    Man macht sich viele Formen der Energiespeicherung zunutze, zum Beispiel in Form der Batterie. Hier wird durch eine chemische Reaktion die chemische Energie der Bestandteile der Batterie in elektrische Energie umgewandelt.

    Das Butterbrot wurde in seiner Höhe angehoben. Dadurch hat sich seine potentielle Energie erhöht. Fällt es nun herunter, wird diese potentielle Energie in kinetische umgewandelt. Die Geschwindigkeit des Brotes nimmt also zu, bis es den Boden erreicht und wieder auf Null abgebremst wird. Beim Aufprall wird die kinetische Energie übrigens auch weiter umgewandelt. Sie wird zu Wärmeenergie und durch Verformung vom Brot aufgenommen.

  • Formuliere den Energieerhaltungssatz.

    Tipps

    Was geschieht mit der Energie, die du durch Nahrung zu dir nimmst?

    Lösung

    Der Energiegehalt des gesamten Universums ist konstant. Alle Energie, die war und je sein wird, existiert also auch in diesem Moment. Diese Energie kann aber ihre Erscheinungsform ändern.

    So wird die Licht- und Wärmeenergie der Sonne von den Pflanzen in chemische Energie umgewandelt. Somit ist fast alle Energie, die wir auf der Erde nutzen, gespeicherte Sonnenenergie.

  • Berechne die potentielle Energie der Katze auf dem Baum.

    Tipps

    Warum hat die Katze auf dem Baum eine höhere potentielle Energie als auf dem Boden?

    Welche sind die Formelzeichen für Masse und Höhe?

    Lösung

    Eine Katze mit 4 kg Gewicht klettert auf einen 3 m hohen Ast. Die Katze hat auf dem Baum eine bestimmte Energie. Diese wird als potentielle Energie bezeichnet. Dadurch, dass sie auf den Baum geklettert ist, hat sie Arbeit an sich selbst verrichtet. Diese ist nun in Form der gewonnenen Höhe gespeichert. Würde sie von dem Baum springen, würde diese Energie wieder in Form von kinetischer Energie frei werden.

    Die Anhebung eines Körpers ist also eine Form der Energiespeicherung. Diese Energie kann dann bei Bedarf abgerufen werden.

    $E(pot) = 4~kg\cdot 9,81 \frac{m}{s^2} \cdot 3~m $

    $E(pot) = 117,72~Nm$

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