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Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Energieeinsparungsgesetz

Energieeinsparungsgesetz

In der Physik ist das Energieerhaltungsgesetz eines der wichtigsten Naturerhaltungsgesetze. In seiner am besten untersuchten und intuitivsten Form besagt dieses Gesetz, dass sich die Gesamtmenge von Energie in einem isolierten System im Laufe der Zeit nicht ändert, obwohl sie von einer Form in eine andere umgewandelt und umgewandelt werden kann.

Im allgemeinsten Sinne scheint es jedoch nicht richtig zu sein, vom Gesetz zu sprechen, da es in der Physik zahlreiche Gesetze gibt, die sich auf die Erhaltung von Materie (Masse) und Energie beziehen: Erhaltung von Materie, mechanische Energie, Massenenergie, Bewegungsumfang, Drehimpuls, elektrische Ladung usw. So wird in der wissenschaftlichen Literatur für die Definition das Prinzip der Erhaltung der Gesamtenergie (Prinzip der Erhaltung der Energie) übernommen, das alle möglichen Energieformen einschließlich Katarakte (nach Einstein) umfasst, aber auch die Masse und Menge der Bewegung

Das Prinzip ist auch auf dem Gebiet der Quantenmechanik erfüllt; Tatsächlich hat Heisenbergs Zeit-Energie-Unschärferelation nicht denselben fundamentalen Charakter wie das Gegenstück von Position und Impuls, da ein (universeller) Zeitoperator in der Quantenmechanik nicht definiert ist.

Die Interpretation der thermodynamischen Phänomene in Bezug auf die statistische Mechanik und der Nachweis der Gleichwertigkeit von Wärme und Arbeit und ihrer Konstanz über die Zeit haben das Prinzip der Energieerhaltung außerhalb der Sphäre auf thermische Phänomene ausgeweitet. rein mechanisch. vorausgesetzt, Sie berücksichtigen alle Möglichkeiten, wie Energie erzeugt werden kann.

Besondere Formen des Energieerhaltungsgesetzes

Klassische Mechanik

In der Newtonschen Mechanik wird ein Sonderfall des Energieerhaltungsgesetzes formuliert: das Gesetz der Erhaltung der mechanischen Energie, das wie folgt lautet: „Die gesamte mechanische Energie eines geschlossenen Systems von Körpern, von denen nur etwas wirkt die konservativen Kräfte bleiben konstant. “

Ohne dissipative Kräfte (zum Beispiel Reibungskräfte) kommt mechanische Energie nicht von ungefähr und kann nirgendwo verschwinden.

In einem Kernkraftwerk beispielsweise wird die mechanische Energie, die die Turbinen antreibt, nicht aus dem Nichts erzeugt, sondern aus der im Wasserdampf enthaltenen Wärmeenergie. Zuvor war diese Energie die innere Energie der Atome, insbesondere der Kernenergie.

Energieerhaltungssatz in der Thermodynamik

In der Thermodynamik wird das Erhaltungsgesetz historisch als erstes Prinzip der Thermodynamik formuliert: „Die Änderung der inneren Energie eines thermodynamischen Systems während seines Übergangs von einem Zustand in einen anderen ist gleich der Summe der Arbeit der äußeren Kräfte in das System und die Wärmemenge, die auf das System übertragen wird, und es hängt nicht davon ab, wie dieser Übergang durchgeführt wird. “ Oder alternativ: "Die vom System aufgenommene Wärmemenge wird verwendet, um seine innere Energie zu ändern und Arbeit gegen äußere Kräfte auszuführen."

Insbesondere das Energieerhaltungsgesetz sieht vor, dass es keine Perpetual-Motion-Maschinen des ersten Typs gibt, dh solche Prozesse sind unmöglich, deren einziges Ergebnis die Produktion von Arbeit wäre, ohne dass andere Körper verändert würden.

Hydrodynamik

In der Hydrodynamik eines idealen Fluids wird das Energieerhaltungsgesetz traditionell in Form der Bernoulli-Gleichung formuliert: Die Summe bleibt entlang der Stromlinien konstant.

Elektrodynamik

In der Elektrodynamik wird das Energieerhaltungsgesetz historisch in Form des Poynting - Theorems (manchmal auch Umov - Poynting - Theorem genannt) formuliert, das die Dichte des Flusses elektromagnetischer Energie mit der Dichte elektromagnetischer Energie und der Dichte von in Beziehung setzt Joules Verluste. Verbal kann der Satz folgendermaßen formuliert werden: „Eine Änderung der elektromagnetischen Energie, die in einem bestimmten Volumen während eines bestimmten Zeitintervalls eingeschlossen ist, ist gleich dem Fluss der elektromagnetischen Energie durch die Oberfläche, der ein bestimmtes Volumen begrenzt, und die Menge an Wärmeenergie, die in einem bestimmten Volumen freigesetzt wird, mit dem entgegengesetzten Vorzeichen. “

Nichtlineare Optik

In der nichtlinearen Optik wird die Ausbreitung optischer (und üblicherweise elektromagnetischer) Strahlung in einem Medium unter Berücksichtigung der multikantischen Wechselwirkung dieser Strahlung mit der Substanz des Mediums betrachtet. Insbesondere widmet sich ein breites Spektrum von Studien den Problemen der sogenannten Drei- und Vierwellenwechselwirkungen, bei denen drei bzw. vier Strahlungsquanten zusammenwirken. Da jeder einzelne Vorgang einer solchen Wechselwirkung den Gesetzen der Energie- und Impulserhaltung folgt, ist es möglich, ziemlich allgemeine Beziehungen zwischen den makroskopischen Parametern der wechselwirkenden Wellen zu formulieren. Diese Beziehungen werden Manly-Rowe-Beziehungen genannt.

Relativistische Mechanik

In der relativistischen Mechanik wird das Konzept eines Energiemoments von 4 Vektoren (oder nur vier Momenten) eingeführt. Seine Einführung erlaubt es uns, die Gesetze der Erhaltung des kanonischen Moments und der Energie in einer einzigen Form zu schreiben, die außerdem Lorentz-kovariant ist, dh sich während des Übergangs von einem Trägheitsrahmen zum anderen nicht ändert.

Allgemeine Relativitätstheorie

Als Verallgemeinerung der speziellen Relativitätstheorie verwendet die allgemeine Relativitätstheorie eine Verallgemeinerung des Vier-Moment-Konzepts: den Energie-Moment-Tensor. Das Erhaltungsgesetz ist für den Energie-Impuls-Tensor des Systems formuliert.

In der allgemeinen Relativitätstheorie wird das Energieerhaltungsgesetz streng genommen nur lokal erfüllt. Dies liegt an der Tatsache, dass dieses Gesetz eine Konsequenz der Gleichförmigkeit der Zeit ist, während in der allgemeinen Relativitätstheorie die Zeit heterogen ist und sich in Abhängigkeit von der Anwesenheit von Körpern und Feldern in der Raumzeit ändert. Es ist zu beachten, dass mit einem korrekt definierten Pseudotensor des Energiemoments des Gravitationsfeldes die vollständige Energie der Körper und Felder erhalten werden kann, die gravitativ zusammenwirken, einschließlich der Gravitation. Derzeit gibt es jedoch keinen allgemein akzeptierten Weg, die Energie des Gravitationsfeldes einzuführen, da alle vorgeschlagenen Optionen den einen oder anderen Nachteil haben. Zum Beispiel

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Geändert am: 10. Februar 2020