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Rechnen: chemische Energie

Schokolade, Benzin und Holzpellets: Der Heizwert sagt, wie viel Energie in einem Kilogramm steckt — zwei Faktoren, ein großes Stück Alltag.

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Einstieg — Energie, die man anzünden oder essen kann

Nur zwei Faktoren — und trotzdem steckt der halbe Alltag darin.

Schokolade, Benzin und Holzpellets haben eines gemeinsam: Ihre Energie steckt in chemischen Verbindungen.

  • Chemische Energie:Sie ist in den Bindungen zwischen den Atomen gespeichert.
  • Freisetzung:Sie wird frei, wenn sich diese Bindungen beim Verbrennen oder Verdauen umordnen.
  • Heizwert H:Er sagt, wie viel Energie ein Kilogramm eines Stoffes liefert.
  • Sternchen-Thema:Kein Pflichtstoff, aber die einfachste Formel des ganzen Kapitels.
Merke

Chemische Energie

Chemische Energie: Sie steckt in den Bindungen zwischen den Atomen und wird beim Verbrennen oder Verdauen frei.

Heizwert: Der Heizwert \(H\) sagt, wie viel Energie ein Kilogramm eines Stoffes liefert.

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Erklärung — E = H · m — der Heizwert entscheidet

Eine Stoffkonstante mal eine Masse. Fertig.

Die Formel

Anders als bei der inneren Energie brauchst du hier nur zwei Angaben.

  • Welcher Stoff:Jeder Brennstoff hat seinen eigenen Heizwert.
  • Wie viel davon:Die doppelte Masse liefert die doppelte Energie.
  • Kein ΔT:Eine Temperatur kommt in dieser Formel gar nicht vor.
Merke

Energie aus einem Brennstoff:

E = H · m

E: Freigesetzte Energie in Joule (J).

H: Heizwert des Stoffes in Joule pro Kilogramm (J/kg).

m: Verbrannte Masse in Kilogramm (kg).

Abhängigkeit: Die Energie hängt nur vom Stoff (Heizwert \(H\)) und der Masse ab, eine Temperatur kommt nicht vor.

Einheiten: Heizwerte gibt man meist in MJ/kg an; es gilt \(1\,\mathrm{MJ}=1\,000\,000\,\mathrm J\) und \(1\,\mathrm{kWh}=3{,}6\,\mathrm{MJ}\).

Der Heizwert H ist wie das c aus dem letzten Kapitel eine Stoffkonstante.

  • Bedeutung:H sagt, wie viel Energie ein Kilogramm dieses Stoffes liefert.
  • Große Zahlen:Weil die Werte riesig werden, gibt man sie fast immer in Megajoule an.
  • Umrechnung:Es gilt 1 MJ = 1 000 000 J.
Heizwerte einiger Stoffe (gerundet)
StoffH in MJ/kgbedeutet
Wasserstoff1201 kg liefert 120 000 000 J
Benzin43Spitzenwert unter den Alltagskraftstoffen
Steinkohle30etwa doppelt so viel wie Holz
Schokolade23ja, auch Lebensmittel haben einen Heizwert
Holzpellets18typischer Wert für trockenes Holz

Rechnen mit Megajoule

Du darfst durchgehend in Megajoule rechnen, solange du die Einheit mitschreibst.

  • Beispiel:5 kg · 43 MJ/kg = 215 MJ — die Einheit kg kürzt sich weg.
  • Erst am Schluss:Umgerechnet wird bei Bedarf ganz am Ende der Rechnung.
  • In Joule:Den MJ-Wert mit 1 000 000 malnehmen.
  • In Kilowattstunden:Durch 3,6 teilen, denn 1 kWh = 3,6 MJ.
Merke

Umgestellte Formen:

m = E : H     H = E : m

Zwei Faktoren, ein Produkt — einfacher wird eine Formel nicht.

Interaktiv: Der Brennstoff-Stapel

Die Heizwerte in der Tabelle sind Zahlen mit großem Abstand. Im Applet wird die Frage umgedreht: Nicht „wie viel Energie liefert 1 kg?“, sondern „wie viel kg brauche ich für diese Energie?“

Der Brennstoff-Stapel

Du gibst eine Energiemenge vor. Das Applet legt dir hin, wie viel von jedem Brennstoff du dafür verbrennen musst — ein Klötzchen ist eine feste Portion.

Die Energiemenge steht auf dem Startwert.

Wasserstoff braucht die wenigste Masse — und ist trotzdem schwierig zu tanken, denn als Gas nimmt er selbst unter hohem Druck sehr viel Platz ein. Der Heizwert bezieht sich immer auf die Masse, nie auf das Volumen.

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Hinweise — Damit nichts schiefgeht

Drei Stellen, an denen es beim Heizwert oft hakt:

Masse in Kilogramm

Die Masse gehört in Kilogramm in die Formel; Gramm-Angaben vorher durch 1000 teilen.

MJ oder J klären

Kläre, ob das Ergebnis in MJ oder J verlangt ist — dazwischen liegt der Faktor 1 000 000.

Heizwert und Ergebnis prüfen

Prüfe den Heizwert zum Stoff und das Ergebnis grob: ein Kilogramm Brennstoff liefert 15 bis 50 MJ.

Videos zur chemischen Energie