Thermische Energie (Teil I)

Sonnen Wärmekraftanlage

Die Sonnenkollektoren sammeln die Energie aus der Sonnenstrahlung zur Wärmegewinnung.

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Menschen nutzen Energie in vielfältiger Weise. Um beispielsweise ihre Wohnungen zu beheizen, Räume zu erhellen oder für den Transport und die Produktion von Gütern. Jede Aktivität ist mit dem Umsatz von Energie verbunden. Die verschiedenen Erscheinungsformen sind uns daher aus dem Alltag wohl vertraut. Die Wärme des Feuers, das Licht der Sonne, die Bewegung des Windes. Dabei kann man Energie selbst nicht sehen, hören, schmecken oder fühlen. Wenn wir einen Blitz sehen oder in der Sauna schwitzen, dann erleben wir Energie. Das was also hinter diesen verschiedenen Erscheinungsformen steckt, nennen wir Energie.

Was ist Energie?

Mit Energie gehen wir täglich um. Energie wird erzeugt, umgewandelt, transportiert, gespeichert und verbraucht. Ohne Energie geht in unserem Alltag nichts. Aber wissen wir so genau, was Energie eigentlich ist? 3 Die Energie stellt eine der wichtigsten quantitativen Erhaltungsgrößen bei Prozessen in der belebten wie der unbelebten Natur dar. Obwohl dieser Begriff heutzutage in aller Munde ist, bleibt er in seiner praktischen Anwendung im alltäglichen Leben für viele Menschen durchaus rätselhaft. 4 Für die Physik ist Energie eine ihrer zentralen Begriffe.

Wenn ein Auto durch einen Motor angetrieben wird, dann wird mechanische Arbeit verrichtet. Die Arbeit leistet ein Verbrennungsmotor. Im Zylinder wird ein Benzin-Luftgemisch verbrannt. Die dabei entstehenden Abgase haben ein größeres Volumen, der Druck steigt und kann in Bewegungsenergie umgesetzt werden. Chemische Energie wird also in Bewegungsenergie umgewandelt. Ursprünglich geht der Begriff Energie auf das griechische energeia zurück, ein Wort, das zuerst beim antiken Philosophen Aristoteles (384-322 v. Chr.) auftaucht. Energeia steht für den göttlichen Geist oder die Wirksamkeit, die dem Möglichen zur Wirklichkeit verhilft. 3 Im Jahre 1852 wurde der Begriff Energie von dem schottischen Physiker William John Macquorn Rankine im heutigen Sinn in die Physik eingeführt . Energie bedeutet ganz allgemein also, eine den in der Physik betrachteten Objekten innewohnende Wirksamkeit. Bis zu dieser Zeit wurde für Energie unter anderem der Begriff Kraft verwendet. 5

Thermodynamik

Jan Ingenhousz

J. Ingenhousz beschrieb als erster das stochastische Verhalten von Holzkohlestäubchen auf Alkohol.

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Die Ideen der Thermodynamik, die im 19. Jh. entwickelt wurden, haben den modernen Energiebegriff geprägt. Überwunden wurde die Vorstellung eines Wärmestoffs und durch die Idee ersetzt, dass Wärme eine Form der Energie ist, die sich in andere Energieformen umwandeln lässt. Insbesondere das Studium der Dampfmaschinen brachte neue Vorstellungen über die Eigenschaften der thermischen Energie. 3

Thermische Bewegung

Als erster beschrieb Jan Ingenhousz (1785) das stochastische Verhalten von Holzkohlestäubchen auf Alkohol, verursacht durch thermisch getriebene Eigenbewegung der Moleküle. Erst 42 Jahre später wird die allgemein bekannte Brownsche Bewegung vom schottischen Botaniker Robert Brown wiederentdeckt. Brown wies dies anhand von Pollen, deren Bewegung er unter dem Mikroskop in einem Wassertropfen beobachtete, nach. Diese Pollenteilchen führten dabei unregelmäßige, chaotische Zitter- und Zickzackbewegungen aus. Die Erklärung hierfür liefern die Moleküle, die permanent von allen Seiten gegen die größeren, sichtbaren Pollenteilchen stoßen. Diffusion und Osmose basieren auf dieser Molekularbewegung. 6

Energiegewinnung durch thermische Energie

Solar-, Wind-, Gezeiten- und Wasserkraft sowie Biomasse und Erdwärme stellen Alternativen zur Energieversorgung dar, die zwar heutzutage wirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig sind, aber ein hohes Entwicklungspotential besitzen. Als noch recht junge Technologie tritt in jüngster Zeit die Erdwärmegewinnung (Geothermie) aus dem Schatten der Wind- und Sonnenergie hervor. Gegenüber diesen beiden Energiequellen zeichnet sie vor allem die durchgängige Verfügbarkeit der Energiequelle aus. Die Energieausbeute ist, anders als bei Solaranlagen, die abhängig von der Dauer des Sonnenscheins sind, und Windkraftanlagen, deren Ausbeute von der wechselnden Stärke des Windes abhängt, unabhängig von klimatischen Bedingungen. Der Energiefluss in der Erde bleibt, unbeeinflusst von äusseren Faktoren, das ganze Jahr konstant. 7

Thermische Energie ist die Kraft der Wärme

Funktionsweise eines konventionellen Wärmekraftwerks

Bei der Verbrennung von Öl, Kohle, Erdgas, Biogas, Diesel oder Abfällen entsteht Wärme und somit Wasserdampf mit hohem Druck. Dieser Dampf treibt Turbinen an, die mit Generatoren gekoppelt sind.

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Wärme ist angenehm, schön, beruhigend und lebenswichtig. Kein Lebewesen kann ohne Wärme überleben. Auch für die Stromproduktion ist Wärme enorm wichtig. Die Stromproduktion aus fossilen Brennstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle) ist nicht erneuerbar, da die Vorkommen begrenzt sind. Man kann thermische Energie aber auch aus anderen Wärmequellen gewinnen, nämlich aus erneuerbaren Energiequellen wie Erd- und Sonnenwärme. Bei der Verbrennung von Öl, Kohle, Erdgas, Biogas, Diesel oder Abfällen entsteht Wärme und somit Wasserdampf mit hohem Druck. Dieser Dampf treibt Turbinen an, die mit Generatoren gekoppelt sind. Nach dem Durchlaufen der Turbinen muss der Dampf abgekühlt werden. Das dazu benötigte Kühlwasser wird entweder aus einem Fluss genommen oder in einem Kreislauf über einen Kühlturm geführt. Um eine höhere Energienutzung zu erreichen, werden in modernen Kombikraftwerken Gas- und Dampfturbinen kombiniert. 8