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Energiedichte

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Die Energiedichte bezeichnet in der Physik die Verteilung von Energie E auf eine bestimmte Größe X, und hat folglich immer die Gestalt w = \frac{dE}{dX} . Am häufigsten wird sie verwendet als

  • ein Maß für die Energie pro Raumvolumen eines Stoffes (volumetrische Energiedichte, Einheit Joule/m³)
  • ein Maß für die Energie pro Masse eines Stoffes (gravimetrische Energiedichte, Einheit Joule/kg).

Doch letztendlich kann man zu jeder physikalischen Größe eine entsprechende Energiedichte definieren.

Inhaltsverzeichnis

Volumetrische Energiedichte

Energiedichte elektromagnetischer Wellen

Aus den Maxwell-Gleichungen kann man schließen, dass die maximale Energieabgabe elektromagnetischer Wellen in einem Stoff proportional zum Quadrat der Feldamplituden ist. Elektrisches und magnetisches Feld tragen gleichermaßen bei:

w = \frac{1}{2}(\vec E \cdot \vec D + \vec H \cdot \vec B)

Gravimetrische Energiedichte

Die Energiedichte von Brennstoffen nennt man Heizwert, die von Batterien Kapazität pro Volumen oder Kapazität pro Masse. Beispielsweise beträgt die Energiedichte eines Lithium-Polymer-Akku 140 - 180 Wattstunden pro kg Masse (140 -180 Wh/kg), ein Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) 80 Wh/kg.

Gewünscht ist eine hohe Energiedichte, um Transportkosten gering zu halten. Beispielsweise kann ein Modellhubschrauber mit einer Zuladung von 80 Gramm 5 Minuten lang fliegen, wenn er seine Energie aus einem NiMH-Akku bezieht. Mit einem Lithium-Polymer-Akku der gleichen Masse bleibt er doppelt so lange in der Luft.

Beispiele

Stoff/System Energiedichte in MJ/kg Bemerkung
Elektrolytkondensator 0,00005 = 50 J/kg
Doppelschicht-Kondensator 0,02
Adenosintriphosphat (ATP) 0,0643 Energiespeicher in biologischen Zellen
Bleiakkumulator 0,11
Ni-Cd Akku 0,14 Quelle Batterien: [1]
NiMH-Akku 0,22
Kohle-Zink Batterie 0,23
Li-Ionen Akku 0,36
Alkali-Mangan-Batterie 0,45
Li-Polymer-Akku 0,55
Zink-Luft 1,2 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Wasserstoff (inkl. Hydridtank) ca. 1,19 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Wasserstoff (ohne Tank) 119,9 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Steinkohle 30 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Pflanzenöl 37 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Kerosin 40 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Dieselkraftstoff 39,6 - 43,2 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Benzin 43 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt
Radioisotopengenerator ca. 5.000 elektrisch (60.000 MJ/kg thermisch)
Kernspaltung Natururan (0,72% U-235) 648.000
Kernspaltung U-235 90.000.000
Kernfusion 300.000.000
Umwandlung von Masse in Energie 90.000.000.000
1 MJ/kg = 1.000 kJ/kg; 1 MJ = 0,2778 kWh

Weitere Energiedichten

  • Spektrale Energiedichte: \epsilon _\nu = \frac{d E}{d \nu} . Abhängigkeit der Energie eines Strahlungs-Spektrums von der Frequenz.

Siehe auch

Von „http://www.kefk.org/wiki/Energiedichte“
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