Was ist Energie?

Marcus_Mevius_efbe11 · 10. Januar 2001 um 22:40

Hier wird ja oft von Energie geredet und in der Schule hatte ich auch noch eine gewisse Vorstellung davon, was das ist; aber nach 3 Monaten die ich nun schon in den Brettern Mathe, Physik + Astonomie verbringe, kann ich mir nun unter Energie garnichts mehr vorstellen.

„Gnlwth“ sagte im Atronomiebrett kuerzlich (unwiedersprochen - also ist das wohl Allgemeinwissen der Wissenselite), dass irgendwelche Elementarteilchen aus dem Nichts entstehen um anschliessend sofort wieder zu verschwinden. Sie borgen sich dafuer die Energie aus dem Vakuum. Hmmmmm
MrStupid (ich glaube er es war’s) erklaerte mal, dass Photonen keine Ruhemasse haben. Dieses Nichts kann aber Energie aufnehmen und hat dann sogar einen Impuls. Hmmm
Energie=Masse o.k. aber welche Form hat diese Energie, die in Masse umgewandelt werden kann? Ist es Strahlungsenergie, also z.B. Neutronen die durch den Raum fliegen? Aber Neutronen haben doch auch eine Masse, oder?

Ihr habt sicher schon gemerkt, dass ich hier nicht viel Ahnung habe; wenn sich also ein liebenswerter Mensch findet, der mir sagen kann, was Energie ist, dann bitte bitte so einfach und so anschaulich wie moeglich.
Marcus

Anonym · 11. Januar 2001 um 11:36

Hallo,

ich bin weder Physiker noch Mathematiker, aber man hoert oft, dass auch die Wissenschaftler oft ihrer Schwierigkeiten haben, dass innere Wesen von Zeit und Masee usw. zu verstehen oder zu erklaeren.

Ich glaube Newton hat auch lange gebraucht, bis er zu der Erkenntnis gekommen ist, dass man Dingen in der Natur eine Zahl zuordnen kann, die man Masse nennt.

Ich als Laie versuche mir unter Energie immer „gespeicherte Arbeit“ vorzustellen, also die Faehigkeit eines Koerpers Arbeit zu leisten. Und unter Arbeit versteht man ja bekanntlich das Skalarprodukt als Kraft mal Weg. Das man hier die Arbeit so ueber das Skalarprodukt aus Kraft und Weg DEFINIERT und das Skalarprodukt als Rechenvorschrift so waehlt wie man es kennt (es gibt ja beliebig viele Definitionen von Skalarprodukt) macht man deswegen, weil sich damit zeigt, dass man eine effiziente Moeglichkeit gefunden hat, so die Natur mathematisch zu beschreiben.
Man kann auch andere Vorstellungen und Methoden waehlen, aber man kommt dann nicht sehr weit in der Beschreibung. Und so stelle ich mir die Energie auch immer als eine Rechengroesse vor, genau so wie die Zeit t, die ich mir als Parameter vorstelle, die „laeuft“. Aehnlich ist es mit der Kraft usw.

BYE

Anonym · 11. Januar 2001 um 12:00

Hallo Marcus.

Zunächst einmal fragt man sich: Was ist Arbeit?
Das ist Kraft x Weg. (Kraft und Weg lassen sich messen)
(oder abgeleitet davon Druck x Volumen oder ähnliches)

Wenn ich nun an einem System Arbeit leiste, so sagt man, er habe die Energie, die ich in ihn hereingesteckt habe (in Form von Arbeit)
Dies kann kinetische (Bewegungs-) Energie oder Potentielle (Lage-) Energie sein. (Ich kann einen Körper beschleunigen (ihm kinet. Energie geben) oder ihn in eine Lage bringen, in der er mehr Energie speichert (z.B. Höhe im Gravitationsfeld)

Nun kommt Einstein und stellt fest: E=mc^2, Energie ist Äquivalent zu Masse. Ich kann also zwei Teilchen aufeinander schiessen, und ihre kinet. Energie wird in Masse umgewandelt: ein oder mehrere neue Teilchen entstehen. Oder ich kann ein Teilchen mit seinem Antiteilchen zusammenbringen und sie vernichten sich zu Energie.

„Gnlwth“ sagte im Atronomiebrett kuerzlich (unwiedersprochen

also ist das wohl Allgemeinwissen der Wissenselite), dass
irgendwelche Elementarteilchen aus dem Nichts entstehen um
anschliessend sofort wieder zu verschwinden. Sie borgen sich
dafuer die Energie aus dem Vakuum. Hmmmmm

Diese Teilchen sind nicht wirklich nachweisbar. Sie vernichten sich so schnell wieder, dass sie sogar mit der besten denkbaren Apparatur, also sogar theoretisch nicht aufspürbar sind (wegen der Heisenberg’schen Unschärfe). Sie spielen aber als (mathematisches) Werkzeug in der Theoretischen Physik eine Rolle.

MrStupid (ich glaube er es war’s) erklaerte mal, dass
Photonen keine Ruhemasse haben. Dieses Nichts kann aber
Energie aufnehmen und hat dann sogar einen Impuls. Hmmm

Photonen existieren nur mit Lichtgeschwindigkeit, und bei dieser Geschwindigkeit haben sie eine Energie (ihre relativistische kinetische Energie). Ein Photon kann von seiner Energie bzw seinem Impuls etwas abgeben oder aufnehmen, was aber nichts an seiner Geschwindigkeit ändert. (relativistischer Impuls: p=h*f , wobei h das Planck’sches Wirkungsquantum (Naturkonstante) und f die Frequenz des Lichtteilchens ist)
Die Frequenz wird grösser oder kleiner, nicht aber die Geschwindigkeit!
Wenn ein Photon seine gesamte kinetische Energie abgibt, bleibt NICHTS übrig, keine Ruhemasse.

Energie=Masse o.k. aber welche Form hat diese Energie, die
in Masse umgewandelt werden kann? Ist es Strahlungsenergie,
also z.B. Neutronen die durch den Raum fliegen? Aber Neutronen
haben doch auch eine Masse, oder?

Kinetische (Bewegungs-) Energie der Teilchen oder Potentielle Energie ((Kraft-)Feldstärke) oder Massenenergie (=Ruheenergie) von Teilchen.

Ich hoffe, einiges wird klarer, aber Energie ist eine von diesen Dingen, die man nicht unmittelbar messen, spüren und erfahren kann. Man gewinnt ein Gefühl dafür, was sie ist, wenn man mit ihr umgeht, rechnet, arbeitet (und sich nicht von den Seltsamkeiten der Teilchenphysik und Kosmologie verwirren lässt, sonder die Sachen LANGSAM durchdringt).

Peace, Kevin.

DrStupid · 11. Januar 2001 um 16:45

Energie wird in Masse umgewandelt

Energie wird nicht in Masse umgewandelt, sondern beide sind zwei Seiten ein und derselben Medailie. Ein System der Masse m hat immer die Energie E=mc² und umgekehrt. Führe ich einem System Energie zu, dann erhöht sich seine Masse nicht, weil sich Energie in Masse umwandelt, sondern weil Energie und Masse untrennbar miteinander verbunden sind.

Wenn ich beispielsweise in einem abgeschlossenen System ein Teilchen mit seinem Antiteilchen rekombiniere, dann ändert die Masse des Systems nicht, obwohl sich keine Materie mehr darin befindet. Die Masse wurde nicht in Energie umgewandelt, sondern es wurde eine Form der Energie (Materie und Antimaterie) in eine andere (Gammatrahlung) umgewandelt, wobei die relativistische Masse der entstehenden Gammastrahlung exakt so groß ist, wie die der beiden Ausgangsteilchen.

Diese Teilchen sind nicht wirklich nachweisbar.

Man kann zwar nicht die Teilchen selbst nachweisen, aber dafür ihre Existenz. Die bei Quantenfluktuationen entstehenden Teilchen treten in ihrer kurzen Existenz mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung und üben dabei Kräfte aus. Da sie aber überall gleichzeitig sind, kommen diese Kräfte auch gleichzeitig aus allen Richtungen und heben sich gegenseitig auf.
Wenn man nun aber zwei Platten so dicht nebeneinander stellt, daß die geisterhaften Teilchen nicht mehr dazwischen passen, dann wird die von außen auf die Platten wirkende Kraft nicht mehr von innen aufgehoben und es entsteht eine resultierende Kraft, welche die Platten zusammendrückt. Dieses Phänomen heißt Casimir-Effekt und wurde experimntell nachgewiesen. Die Quantenfluktuationen sind also nicht nur ein mathematisches Werkzeug sondern physikalische Realität.

Anonym · 11. Januar 2001 um 18:12

Energie wird in Masse umgewandelt

Energie wird nicht in Masse umgewandelt, sondern beide sind
zwei Seiten ein und derselben Medailie.

Das ist eine sprechweise: Eine Form von Energie wird in eine andere umgewandelt, wie z.B. Wind (Bewegung) in elektrischen Strom. Ok, kinet. Energie wird in Ruhmasse umgewandelt, das ist exakter.

Ein System der Masse m
hat immer die Energie E=mc² und umgekehrt. Führe
ich einem System Energie zu, dann erhöht sich seine Masse
nicht, weil sich Energie in Masse umwandelt, sondern weil
Energie und Masse untrennbar miteinander verbunden sind.

Man kann sein System, sagen wir zwei Teilchen die aufeinander zufliegen, so betrachten, als haben die Teilchen eine relativistische Masse und sie reduzieren beim Stoss ihre Masse um den Betrag der relativistischen Masse eines beim Stoss neugebildeten dritten Teilchens (Deine Betrachtung) oder man trennt rel.Energie = Ruhenergie + kinet.Energie (meine Erklärungsweise). Ich finde meine für den Laien anschaulicher. (Darüber werde ich aber nicht diskutieren)

Nebenbei bemerkt hätte man sich nach Newton auch entscheiden können, die Kraft als Grundgrösse und die Masse als von ihr abgeleitete Grösse zu definieren, dann sähe die Realität nicht anders aus, wir würden sie nur anders betrachten

Die Vorherrschende Tendenz im (westlichen) Denken ist ‚Teilen und Erobern‘, will meinen: von einer Dichotomie ausgehend einen Sachverhalt zu beschreiben. Diese Dichotomien an der Wurzel jeder Theorie sind immer wieder Ursache für Unverständnis bei Anfängern und Gelehrtenstreiten bei Fortgeschrittenen

Diese Teilchen sind nicht wirklich nachweisbar.

Man kann zwar nicht die Teilchen selbst nachweisen, aber dafür
ihre Existenz.

(Das soll „nicht WIRKLICH nachweisbar“ gerade heissen)

Die bei Quantenfluktuationen entstehenden
Teilchen treten in ihrer kurzen Existenz mit ihrer Umgebung in
Wechselwirkung und üben dabei Kräfte aus. Da sie aber überall
gleichzeitig sind, kommen diese Kräfte auch gleichzeitig aus
allen Richtungen und heben sich gegenseitig auf.
Wenn man nun aber zwei Platten so dicht nebeneinander stellt,
daß die geisterhaften Teilchen nicht mehr dazwischen passen,
dann wird die von außen auf die Platten wirkende Kraft nicht
mehr von innen aufgehoben und es entsteht eine resultierende
Kraft, welche die Platten zusammendrückt. Dieses Phänomen
heißt Casimir-Effekt und wurde experimntell nachgewiesen. Die
Quantenfluktuationen sind also nicht nur ein mathematisches
Werkzeug sondern physikalische Realität.

Die Quantenfluktuationen sind die Erklärung für diesen Effekt (und auch z.B. für die Hawking-Strahlung von Schwarzen Löchern) aber die (virtuellen) Teilchen selbst sind nicht physikal. Realität!

Physikalische Realität ist nur, was direkt nachweisbar ist. Alles andere ist Theorie (was meiner Meinung nach viel zu häufig für ‚physikalische Realität‘ gehalten wird.

Peace, Kevin.

Marcus_Mevius_efbe11 · 11. Januar 2001 um 20:11

Zunächst einmal fragt man sich: Was ist Arbeit?
Das ist Kraft x Weg. (Kraft und Weg lassen sich messen)
(oder abgeleitet davon Druck x Volumen oder ähnliches)

Wenn ich nun an einem System Arbeit leiste, so sagt man, er
habe die Energie, die ich in ihn hereingesteckt habe (in Form
von Arbeit)
Dies kann kinetische (Bewegungs-) Energie oder Potentielle
(Lage-) Energie sein. (Ich kann einen Körper beschleunigen
(ihm kinet. Energie geben) oder ihn in eine Lage bringen, in
der er mehr Energie speichert (z.B. Höhe im Gravitationsfeld)

Soweit kann ich Dir noch folgen.

Nun kommt Einstein und stellt fest: E=mc^2, Energie ist
Äquivalent zu Masse. Ich kann also zwei Teilchen aufeinander
schiessen, und ihre kinet. Energie wird in Masse umgewandelt:
ein oder mehrere neue Teilchen entstehen. Oder ich kann ein
Teilchen mit seinem Antiteilchen zusammenbringen und sie
vernichten sich zu Energie.

Hier ist dann aber auch schon Schluss. Kannst Du Dir dass denn irgendwie vorstellen? Was „traegt“ denn diese Energie, die entsteht, wenn Teilchen und Antiteilchen einander vernichten?
Du sagtest in Deinem Beispiel oben wie ein Koerper an Energie gewinnen kann, wie aber kann Nichts Energie gewinnen?
Und woher kommt die Masse, die entsteht, wenn Teilchen aufeinanderprallen? Aus der Energie, o.k., aber das dreht sich doch dann im Kreis und ich bin so klug als wie zuvor.

Photonen existieren nur mit Lichtgeschwindigkeit, und bei
dieser Geschwindigkeit haben sie eine Energie (ihre
relativistische kinetische Energie). Ein Photon kann von
seiner Energie bzw seinem Impuls etwas abgeben oder aufnehmen,
was aber nichts an seiner Geschwindigkeit ändert.

Wie ist das, wenn das Photon in Glas eintaucht? Es wird dann doch langsamer. Gibt es dann Energie ab und nimmt sie beim Austritt aus dem Glas wieder auf?

(relativistischer Impuls: p=h*f , wobei h das Planck’sches
Wirkungsquantum (Naturkonstante) und f die Frequenz des
Lichtteilchens ist)
Die Frequenz wird grösser oder kleiner, nicht aber die
Geschwindigkeit!
Wenn ein Photon seine gesamte kinetische Energie abgibt,
bleibt NICHTS übrig, keine Ruhemasse.

Energie=Masse o.k. aber welche Form hat diese Energie, die
in Masse umgewandelt werden kann? Ist es Strahlungsenergie,
also z.B. Neutronen die durch den Raum fliegen? Aber Neutronen
haben doch auch eine Masse, oder?

Kinetische (Bewegungs-) Energie der Teilchen oder Potentielle
Energie ((Kraft-)Feldstärke) oder Massenenergie (=Ruheenergie)
von Teilchen.

Ich hoffe, einiges wird klarer, aber Energie ist eine von
diesen Dingen, die man nicht unmittelbar messen, spüren und
erfahren kann. Man gewinnt ein Gefühl dafür, was sie ist, wenn
man mit ihr umgeht, rechnet, arbeitet (und sich nicht von den
Seltsamkeiten der Teilchenphysik und Kosmologie verwirren
lässt, sonder die Sachen LANGSAM durchdringt).

Vielen Dank jedenfalls. Ich glaube ich muss lange warten, bis mich die Sache durchdringt.

Marcus

Uwi · 11. Januar 2001 um 22:20

Manches ist unvorstellbar.
Hallo,
noch interessanter wäre die Frage, in welcher
Erscheinungsform „die Energie“ (also unser
Weltall mit allem was drin ist) während des
Urknalls und davor befand. Dies ist nach unserem heutigen
Verständnis auch jedes Physikers einfach nicht
erfassbar.

Wir können zwar denken, aber eben nur in den
Kategorien unserer makroskopischen Welt (ist
ja eine Erscheinungsform der Materie -> Energie).
Bei machen Sachen kann man eben einfach nur akzepzieren,
daß es sie gibt.

Nun hat sich der Mensch eine „Werkzeug“ gemacht, ,mit der
die Welt in ihren Zusammenhängen und Wechselwirkungen
zum Teil ganz gut beschreibbar ist. Dieses Werkzeug
heißt Mathematik. Wenn Du sehr wißbegierig bist,
mußt Du eben z.B. ein Physikstudium machen. Da bekommst
Du nebenher zum besseren Verständnis auch gleich noch
ein feines Maß an Mathematik mit auf den Weg, und Du
lernst in mathematischen Formeln und Modellen zu denken.
Ist allerdings auch ziemlich anstrengend (eigene Erfahrung).
Gruß Uwi

Anonym · 12. Januar 2001 um 08:00

Die Definition, die man in der Schule lernt, ist o.k.
(Faehigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten).
Ich finde, dabei soll man es belassen und nicht versuchen,
sich darunter ein „Ding“ vorzustellen.
Die Feststellung, dass Masse und Energie ein und dasselbe
sind (nur in anderen Einheiten ausgedrueckt), wird gern als
eine Konsequenz der speziellen Relativitaetstheorie angesehen.
Das ist nur bedingt richtig. Die Axiome (Grundannahmen) der
speziellen Rel. (das sind Gleichberechtigung aller Inertial-
systeme und Konstanz der Lichtgeschwindigkeit) enthalten
nur Aussagen ueber die Kinematik (Bewegungslehre)
aber keine ueber die Dynamik (Lehre ueber Kraefte, die Ursachen
der Bewegung). Allein aus kinematischen Grundlagen ist keine
Dynamik zu begruenden. Das heisst, es muessen weitere Annahmen
her, um eine Lehre ueber Kraefte aufzubauen. Man kann daher
E=mc^2 als das Axiom der Dynamik in der speziellen Rel.
betrachten. Natuerlich ist nun die Frage berechtigt, weshalb
diese so seltsame Grundannahme so viel Beachtung findet.
Nun, wie alle Theorie musste sich auch die spezielle Rel.
der Ueberpruefung durch das Experiment stellen. Und siehe da,
wenn man E=mc^2 vorraussetzt, lassen sich viele Phaenomene
hervorragend verstehen und erklaeren. Hinzu kommt, dass Newtons
Lehren (klassische Dynamik) unter gewissen Bedingungen
(Geschwindigkeiten und Massen hinreichend klein) sehr gut zur
Beschreibung der Dinge verwendet werden koennen. Die neue
Theorie musste also die alte mit enthalten (in all ihren Einzel-
heiten). Und das schraenkt natuerlich die Wahl erheblich ein
und trug dazu bei, E=mc^2 zu finden.
Uebrigens, nur auf diese Weise ist es gelungen, die
Grundgleichungen der allgemeinen Rel. aufzustellen.
MEB

Joachim_a89f78 · 14. Januar 2001 um 16:42

Energie ist willenskraft, Energie verändert, Energie verbraucht sich, Energie entfaltet sich, Energie verändert sich, Energie wird umgesetzt und verschwendet,Energie wird gekauft und verkauft, getrunken und gegessen, Energie steht für veränderung.

Marcus_Mevius_efbe11 · 14. Januar 2001 um 18:04

Energie ist willenskraft, Energie verändert, Energie
verbraucht sich, Energie entfaltet sich, Energie verändert
sich, Energie wird umgesetzt und verschwendet,Energie wird
gekauft und verkauft, getrunken und gegessen, Energie steht
für veränderung.

Lieber Joachim,
Eigentlich hast Du Recht. Ich dachte auch schon, dass meine Frage im Philosophiebrett besser aufgehoben sei. Die Mathematiker und Physiker haben sich offenbar mit der Unvorstellbarkeit der Energie abgefunden und keine Lust mehr sich das Gehirn zu verknoten.
Marcus

Anonym · 15. Januar 2001 um 20:51

NEGATIVE Energie

Hallo,
noch interessanter wäre die Frage, in welcher
Erscheinungsform „die Energie“ (also unser
Weltall mit allem was drin ist) während des
Urknalls und davor befand. Dies ist nach unserem heutigen
Verständnis auch jedes Physikers einfach nicht
erfassbar.

Wir können zwar denken, aber eben nur in den
Kategorien unserer makroskopischen Welt (ist
ja eine Erscheinungsform der Materie -> Energie).
Bei machen Sachen kann man eben einfach nur akzepzieren,
daß es sie gibt.

Wie können wir überhaupt dieses Thema besprechen,ohne
die negative (unendliche…ja,so provokant gesagt) (Vakuum-)Energie,die im echtem Vakuum verborgen ist,zu
erwähnen?Auch wenn das stark teoretisch ist,trotzdem ist es
höchst interessant!
Wehe dem,der die Schlüsseln des Vakuums entdeckt…*ggg*!!!
Nur 2 Veröffentlichungen dazu (auf deutsch):
J. Reinhardt und W. Greiner: Die Natur des Vakuums, superkritische Felder und Riesenkerne, Physik. Blätter, 41, 38-43 und 93-99 (1985)
B. Müller und J. Reinhardt: Die Suche nach dem Zerfall des Vakuums in: Elementare Materie, Vakuum und Felder, (Hrsg. W. Greiner und G. Wolschin) Heidelberg, 1986, p. 58-63
Marc