Der Energieerhaltungssatz, auch als Erster Hauptsatz der Thermodynamik bekannt, ist eines der grundlegenden Konzepte der Physik, die unser Universum regiert.
Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte war dieses Gesetz eine tragende Säule, die es uns ermöglichte, ein breites Spektrum natürlicher Phänomene zu verstehen und zu erklären.
Herkunft und Autor
Die Idee der Energieeinsparung nahm im 19. Jahrhundert dank der Arbeit von Wissenschaftlern wie Julius Robert Mayer, James Joule und Hermann von Helmholtz Gestalt an. Diese Forscher führten umfassende Studien zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt durch.
Die bekannteste Formulierung dieses Gesetzes wird jedoch Mitte des 19. Jahrhunderts Rudolf Clausius und William Thomson (Lord Kelvin) zugeschrieben.
Was besagt der Energieerhaltungssatz?
Dieses Gesetz besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Das heißt, die Gesamtmenge davon in einem isolierten System ändert sich nicht mit der Zeit.
Dies bedeutet, dass in Abwesenheit äußerer Kräfte die Gesamtenergie eines Systems erhalten bleibt, selbst wenn es Umwandlungen von einer Energieart in eine andere durchläuft. Beispielsweise kann in einem geschlossenen System mechanische Energie durch Reibung in thermische Energie umgewandelt werden, die Summe beider Energieformen bleibt jedoch konstant.
Aus der Newtonschen Mechanik
In der Newtonschen Mechanik besagt das Erhaltungsprinzip: „Die gesamte mechanische Energie eines geschlossenen Systems von Körpern, zwischen denen nur die inneren Kräfte des Systems wirken, bleibt konstant.“
Einfach ausgedrückt: Ohne dissipative Kräfte (z. B. Reibungskräfte) entsteht Energie nicht aus dem Nichts und kann nicht verschwinden. Sie können nur in andere Energiearten umgewandelt werden.
Aus der Thermodynamik
In der Thermodynamik wird der Erhaltungssatz als erster Hauptsatz der Thermodynamik formuliert : „Die vom System aufgenommene Wärmemenge wird genutzt, um seine innere Energie zu verändern und Arbeit gegen äußere Kräfte zu verrichten.“
Der Energieerhaltungssatz besagt, dass es kein Perpetuum mobile der ersten Art gibt. Sadi Carnot hat gezeigt, dass solche Prozesse unmöglich sind.
Beispiele aus dem Recht
Um das Energieerhaltungsgesetz besser zu verstehen, ist es hilfreich, einige konkrete Beispiele dafür zu sehen, wie es in alltäglichen und wissenschaftlichen Situationen funktioniert:
Einfaches Pendel
Stellen Sie sich ein einfaches Pendel vor, etwa ein Uhrenpendel. Wenn Sie das Pendel auf eine bestimmte Höhe anheben und loslassen, beginnt es hin und her zu schwingen. Während es absteigt, nimmt seine potentielle Gravitationsenergie ab, aber seine kinetische Energie nimmt zu.
Die Summe aus potentieller und kinetischer Energie ist an jedem Punkt seiner Bewegung immer konstant, wenn keine Reibungskräfte oder Luftwiderstand beteiligt sind.
Freier Fall
Wenn Sie ein Objekt aus einer bestimmten Höhe fallen lassen, wird seine potenzielle Gravitationsenergie beim Fallen in kinetische Energie umgewandelt.
Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Summe dieser beiden Energieformen während des Herbstes konstant ist.
fahrendes Auto
Wenn sich ein Auto mit einer bestimmten konstanten Geschwindigkeit bewegt, verfügt es aufgrund seiner Bewegung über kinetische Energie.
Wenn der Fahrer den Motor abstellt, bewegt sich das Auto aufgrund der Trägheit weiter und seine kinetische Energie bleibt konstant, bis eine gewisse Reibungskraft auftritt, beispielsweise beim Bremsen, die die kinetische Energie durch die von den Rädern erzeugte Wärme in Wärmeenergie umwandelt. Bremsen.
Energieumwandlung in einem Kraftwerk
In einem konventionellen Wärmekraftwerk wird die im Brennstoff (z. B. Kohle oder Gas) gespeicherte chemische Energie durch Verbrennung in thermische Energie umgewandelt. Diese Wärmeenergie wird dann zum Erhitzen von Wasser und zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Turbine antreibt, die an einen elektrischen Generator angeschlossen ist. Die thermische Energie wird in der Turbine in mechanische Energie und schließlich im Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Auf die gleiche Weise kann ein Kernkraftwerk den gleichen Prozess durchführen, aber anstatt mit der chemischen Energie fossiler Brennstoffe zu beginnen, wird die thermische Energie aus der Kernenergie gewonnen, die durch die Spaltung eines Atoms gewonnen wird.
In beiden Fällen bleibt bei all diesen Transformationen die Gesamtenergie erhalten, obwohl sie ihre Form ändert.
Kernreaktion in der Sonne
Im Kern der Sonne findet eine Kernreaktion namens Kernfusion statt, bei der sich Wasserstoffkerne zu Helium verbinden.
Bei dieser Reaktion wird eine kleine Menge Masse gemäß Einsteins berühmter Gleichung E=mc 2 in Energie umgewandelt . Die in Form von Licht und Wärme freigesetzte Energie ist konstant und sorgt dafür, dass die Sonne Milliarden von Jahren scheint.
Eine Achterbahn
Ein Achterbahnauto wandelt bei jeder Fahrt mehrere potenzielle Energie und kinetische Energie um. Wenn es am höchsten ist, ist fast die gesamte Energie potenzielle Gravitationsenergie. Beim Absinken erhöht sich dann die Geschwindigkeit und die Energie wird in kinetische Energie umgewandelt.
Bedeutung in der Physik
Der Energieerhaltungssatz ist ein Grundpfeiler der Physik und hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Wissenschaftszweigen. Zu den Bereichen, in denen dieses Gesetz eine entscheidende Rolle spielt, gehören:
- Thermodynamische Physik : Die Thermodynamik, der Zweig der Physik, der die Beziehungen zwischen Wärme, Arbeit und Energie untersucht, basiert auf dem Energieerhaltungssatz. Dieses Gesetz ermöglicht es uns zu verstehen, wie Motoren, Wärmekraftmaschinen und Kühlsysteme funktionieren.
- Mechanik : In der klassischen Mechanik wird die Energieerhaltung verwendet, um Probleme im Zusammenhang mit der Kinematik und Dynamik bewegter Objekte zu lösen. Kinetische und potentielle Energie sind Beispiele für Energieformen, deren Erhaltung in diesem Zusammenhang wesentlich ist.
- Elektrodynamik und Elektromagnetismus – Dieses Prinzip ist auch auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus anwendbar. In Stromkreisen wird beispielsweise elektrische Energie in Glühbirnen in Lichtenergie oder in Heizgeräten in Wärmeenergie umgewandelt.
- Kernphysik : In der Kernphysik ist dieses Gesetz von wesentlicher Bedeutung für das Verständnis von Kernreaktionen und der Energie, die bei Prozessen wie Fusion und Kernspaltung freigesetzt wird.