Potenzialenergie

Potenzialenergie ist die Energie, die einem System aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld besitzt. Sie gehört zu den mechanischen Energieformen und ergibt sich aus konservativen Kräften, deren Arbeit beim Bewegen eines Systems von einem Zustand in einen anderen nur von den Zuständen abhängt und nicht vom Weg. Der Nullpunkt der Potenzialenergie ist frei wählbar und oft willkürlich festgelegt.

Mathematisch gilt: Die Kraft F, die im Feld wirkt, ergibt sich aus F = -∇U. Die Änderung der Potenzialenergie ist gleich dem negativen Arbeit, die von der Kraft geleistet wird: ΔU = -W. Man kann U als Funktion des Ortes x schreiben, U(x). Die Potenzialenergie verknüpft sich damit eng mit dem Konzept der mechanischen Energie und der Energieerhaltung.

Typische Beispiele sind Gravitationspotenzialenergie U = m g h in einem Gravitationsfeld nahe der Erdoberfläche, elastische Potenzialenergie U = 1/2 k x^2 bei einer Feder sowie elektrische Potenzialenergie U = qV im elektrischen Feld. In der Chemie spricht man oft von chemischer Energie, die aus Bindungen resultiert; sie wird oft als Form der Potenzialenergie im weiteren Sinn betrachtet.

Zusammen mit der kinetischen Energie K ergibt sich die mechanische Energie E = K + U. In Abwesenheit von Reibung oder anderen nicht-konservativen Kräften bleibt E erhalten. Treten Reibung, äußere Kräfte oder Energiezufuhr/-abfuhr auf, ändert sich E entsprechend, während die Grundprinzipien der Energieerhaltung gelten.