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Energie berechnen – so geht’s ganz einfach!

Was ist Energie? Was sind Energieformen? Wie lässt sich Energie berechnen? Mit welchen Formeln werden die einzelnen Energieformen berechnet? Was ist beim Berechnen von Energie zu beachten?

Energie ist eine physikalische Größe, die in allen Teilgebieten der Physik eine Hauptrolle spielt. Sie ist die Größe, die wegen der sogenannten Zeitinvarianz der Naturgesetze erhalten bleibt. Auch in Chemie, Biologie, Astronomie, Technik und Wirtschaft ist Energie deshalb bedeutsam. Die Einheit der Energie ist Joule mit dem Kurzzeichen J. Energie kann in unterschiedlichen Formen in einem physikalischen System stecken. Berechnet wird die Energie entsprechend auf verschiedenen Rechenwegen – je nachdem, um welche spezifische Energieform es geht.

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Begrifflichkeiten Energie und Energieformen allgemein

Um Energie dreht sich in der Naturwissenschaft Physik nahezu alles und auch in der Chemie und Biologie spielt sie eine zentrale Rolle. Die Technik und die Wirtschaft kommen ohne die Größe Energie auch nicht aus.

Doch der Begriff Energie ist sehr allgemein. Er bezeichnet die Größe, die aufgrund der sogenannten Zeitinvarianz von Naturgesetzen stets erhalten bleibt. Mit Zeitinvarianz wird die Eigenschaft eines physikalischen Systems bezeichnet, dass es bei gleicher Eingabe zu jeder Zeit auch das gleiche Verhalten zeigt.

Für Objekte, die Energie besitzen, sind die Bezeichnungen Energieträger und Energiequellen gängig. Energie ist damit eine sogenannte Zustandsgröße, man könnte auch sagen: Sie meint eine Fähigkeit eines Objektes, die ihm innewohnt und Wirkpotential hat.

Ganz wichtig in diesem Zusammenhang ist der sogenannte Energieerhaltungssatz. Ihm zufolge lässt sich die Gesamtenergie eines Systems weder mindern noch mehren.

Die physikalische Größe Energie tritt in unterschiedlichen Energieformen auf. Die wichtigsten Energieformen sind:

  • elektrische Energie, zum Beispiel: Blitz oder elektrischer Strom.
  • potentielle Energie (Lageenergie), zum Beispiel: ein Dachziegelstein auf dem Dach,
  • kinetische Energie (Bewegungsenergie), zum Beispiel: ein fahrendes Auto,
  • Rotationsenergie, zum Beispiel: die Rotoren einer Windkraftanlage (Windrad),
  • chemische Energie, zum Beispiel Brennstoffe wie Heizöl, Heizgas oder Holz enthalten gebundene chemische Energie,
  • thermische Energie (Wärmeenergie, Wärme), zum Beispiel Solarenergie strahlt u.a. Wärme ab,
  • Lichtenergie, zum Beispiel: die Sonne sendet neben der Wärme auch Licht aus,
  • magnetische Energie, zum Beispiel: das magnetisches Hebewerk auf einem Schrottplatz,
  • Kernenergie, zum Beispiel: Uran setzt bei der Spaltung seiner Atome Kernenergie frei

Die in verschiedenen Energieformen vorliegende Energie ist zum Teil ineinander umwandelbar. Wichtig: Die Summe der Energiemengen bleibt dabei erhalten. Außerdem ist Energie übertragbar.

Energie und Energieformen berechnen und umrechnen – Formeln und Rechenwege

Bevor gleich wichtige Formeln zum Berechnen von Energie folgen, schicken wir noch einige Grundlagen voraus.

Die Begriffe Energie, Arbeit und Leistung

Energie benötigt man, um etwas zu bewirken bzw. zu leisten. Die Leistung ist aus physikalischer Sicht eine Arbeit (Formelzeichen: W).

Expertenwissen: Die Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt erhalten, solange dem System weder von außen Energie zugeführt noch von ihm nach außen abgegeben wird. Wird dem System jedoch von außen mechanische Energie zugeführt oder gibt das System mechanische Energie ab, so wird aus physikalischer Sicht Arbeit verrichtet.

Bei der Arbeit in diesem Sinn wird Energie umgesetzt. Denn Energie ist die Fähigkeit eines Körpers Arbeit / Leistung zu verrichten. Bezieht sich die Leistung auf einen Zeitraum beziehungsweise wird die Energie innerhalb dessen umgesetzt, ergeben sich entsprechende Einheiten.

Maßeinheiten und Umrechnungstabellen

Laut dem SI-Einheitensystem gelten für die Energie die beiden Maßeinheiten

  • Joule (Kurzzeichen: J) und
  • Wattsekunde (Ws)

Es gilt für die Energie demnach die gleiche Einheit wie für die Arbeit:

  • 1 J = 1 N mal 1 m = 1 W mal s

Gängig ist darüber hinaus eine ganze Reihe weiterer Einheiten.

Einheit Bezeichnung Umrechnung in kJ bzw. kWh
J Joule 1 000 J = 1 000 Ws = 1 kJ
cal Kalorie 1 000 cal = 1 kcal = 4,186 kJ
Wh Wattstunde 1 Wh = 3,6 kJ
(kg) SKE (Kilogramm) Steinkohleeinheit 1 kg SKE = 29 308 kJ
(kg) RÖE (Kilogramm) Rohöleinheit 1 kg RÖE = 41 868 kJ
oe oder OE Oil Equivalent 1 (kg) oe = 41 868 kJ
m³ Erdgas Kubikmeter Erdgas 1 m3 Erdgas = 31 736 kJ
BTU British Thermal Unit 1 BTU = 0,000293071 kWh = 1,05506 kJ
kpm Kilopondmeter 1 kpm = 2,72·10-6 kWh = 0,00980665 kJ
erg Erg 1 erg = 2,78·10-14 kWh = 1·10-10 kJ
eV Elektronenvolt 1 eV = 1,60217733·10-19 J = 1,60217733·10-22 kJ

Alle gängigen Energie-Einheiten lassen sich mit Hilfe von Umrechnungsfaktoren auch ineinander umrechnen. Die folgenden Tabellen zeigen die geläufigsten Energieeinheiten:

kJ kcal kWh kg SKE kg RÖE m3 Erdgas
1 kJ 1 0,2388 0,000278 0,000034 0,000024 0,000032
1 kcal 4,1868 1 0,001163 0,000143 0,0001 0,00013
1 kWh 3 600 860 1 0,123 0,086 0,113
1 kg SKE 29 308 7 000 8,14 1 0,7 0,923
1 kg RÖE 41 868 10 000 11,63 1,428 1 1,319
1 m3 Erdgas 31 736 7 580 8,816 1,083 0,758 1

Berechnen der kinetischen Energie (Bewegungsenergie) – so geht’s

Die kinetische Energie als eine Form der mechanischen Energie eines Körpers Ekin, der sich bewegt, berechnet man mit der Formel:

  • Ekin = ½ mal m mal v2

Dabei stehen m für die Masse des Körpers und v für die Geschwindigkeit.

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Berechnen der potentiellen Energie (Lageenergie) – so geht’s

Auch die potentielle Energie (alternativ: Lageenergie, Höhenenergie) ist eine Form der mechanischen Energie. Zum Berechnen der potenziellen Energie, die ein Körper aufgrund seiner Lage über einem Bezugspunkt Null, zum Beispiel die Erdoberfläche, besitzt, zieht man als Faktoren

  • die Höhe (h), angegeben in Metern (m), sowie
  • die Masse (m), angegeben in Kilogramm (kg), heran und
  • multipliziert sie mit der Konstanten der Erdbeschleunigung (g; auch Ortsfaktor genannt; auf der Erde gilt: g ist rund 9,81 N/kg) mit der Einheit m/s2.

Das Produkt dieser drei Faktoren ergibt die potentielle Energie Epot, die bei Körpern im Ruhezustand der kinetischen Energie Ekin entspricht.

  • Epot = m mal g mal h

Das Produkt aus Masse m mal die Konstante der Erdbeschleunigung g ist gleich die Gewichtskraft FG.

Berechnen der Rotationsenergie – so geht’s

Damit ein Körper auf eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit gebracht werden kann, muss Rotationsarbeit Wrot aufgewendet werden. Sie ist dann als Rotationsenergie Erot in dem Körper gespeichert.

Die Rotationsenergie Erot entspricht dem Produkt aus Trägheitsmoment J eines Körpers und seiner Winkelgeschwindigkeit w. Die zugehörige Formel ist:

  • Erot = ½ mal J mal w2

Bei einem rollenden Körper ergibt sich die kinetische Gesamtenergie als Summe aus seiner Bewegungsenergie und seiner Rotationsenergie:

  • Ekin,ges = EB + ERot = ½ mal m mal v2

Berechnen der elektrischen Energie (Bewegungsenergie) – so geht’s

Zum Berechnen der elektrischen Energie, die in einem Stromkreis oder Bauteil umgewandelt wird, muss man wissen, wovon die elektrische Energie abhängt. Es gilt: Je größer

  • die elektrische Spannung U ist,
  • die elektrische Stromstärke I ist und
  • je länger der Strom fließt,

desto größer ist auch die elektrische Energie Eel. Das Ganze als Formel geschrieben sieht so aus:

  • Eel = U mal I mal t

Das t steht hier für die Zeitspanne, in der der Strom fließt.

Berechnen und Umwandeln der Energie und Energieformen mit Online-Rechnern

Das Internet hält heutzutage unzählige teil- und vollautomatisierte Online-Rechner zum Berechnen von Energie und Energieformen bereit. Zudem sind Umrechnungs-Automaten online, die einem – vorausgesetzt, der Rechner stammt aus seriöser Quelle und ist fachmännisch aufgesetzt – das Hantieren mit Formeln und Einheiten leichter machen oder ganz ersparen. Nach Eingabe der nötigen Angaben spucken die Onlinerechner Energiemengen aus und wandeln Energieeinheiten um.

Wir haben uns folgende Energie-Rechner näher angeguckt und möchten hier einzelne empfehlen:

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"So berechnen Sie Energie und Energieformen" wurde am 08.09.2018 das letzte Mal aktualisiert.