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Energieerhaltungssatz

Energie verschwindet nicht einfach ist die saloppe Aussage des Energieerhaltungssatzes. Physikalisch genauer heiß das: Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System ist zeitlich konstant. Mit dem Wort Gesamtenergie wird schon ausgedrückt, dass es verschiedene Energieformen gibt, d.h. Energiearten können bei ablaufenden Prozessen ineinander überführt bzw. gegenseitig ausgetauscht werden, aber wenn von außen keine weitere Energie zugeführt bzw. nach außen hin keine Energie (z. B. Wärme) abgegeben wird, dann ist und bleibt die Summe aller Energie im abgeschlossenen System konstant, das ist die Aussage des Energieerhaltungssatzes.

Am einfachen Beispiel des Fadenpendels soll der Energieerhaltungssatz kurz erläutert werden: Es handelt sich dabei um eine schwingende Masse, die an einem Seil an einem (Dreh) Punkt aufgehängt ist. In dem Moment, wenn sich die Masse ganz unten vertikal unter ihrem Aufhängepunkt befindet, ist ihre Geschwindigkeit und damit ihre kinetische (Bewegungs) Energie maximal, aber ihre potentielle Energie im Schwerkraftfeld der Erde ist an ihrem tiefsten Punkt minimal. Anders verhält es sich an einem der Wendepunkte weiter oben. Dort kommt die Masse für einen kurzen Moment zum Stehen, ihre Geschwindigkeit und damit auch ihre kinetische Energie ist gleich null, aber ihre potentielle Energie ist dort oben maximal. (Von dieser Position aus senkrecht fallend, würde sie den größten Einschlagskrater im Sand erzeugen.) Auf jedem Bahnpunkt des Pendels hat die Masse irgendeine Kombination aus kinetischer- und potentieller Energie, deren Summe zu jedem Zeitpunkt dieselbe ist.

In der Realität gelten aber selten Idealvorstellungen, die ja dem Energieerhaltungssatz zu Grunde gelegt sind. So gilt auch beim Fadenpendel der Energieerhaltungssatz nicht wirklich, denn der Aufbau ist in Wahrheit kein abgeschlossenes System. Von außen wirkt die Luft wegen der Reibung bremsend auf die bewegte Masse ein. Und oben am Drehpunkt der Aufhängung geht dem System auch noch Wärme nach außen hin verloren wegen der inneren und äußeren Reibung der Materialien. Aus diesem Grunde kann das Pendel nicht ewig schaukeln, es wird irgendwann stehen bleiben müssen.

Es handelt sich hier gleichsam auch um eine Auswirkung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik (Wärmelehre), der auf die ständige Zunahme der Enthropie, das ist ein Maß für die Unordnung, hinweist. Ein Teil der kinetischen und der potentiellen Energie wird dem System ständig entnommen, um daraus Wärmeenergie zu generieren. Selbst wenn diese Wärme in einem wirklich abgeschlossenen System nicht nach außen hin verloren gehen würde, könnte diese Wärme nicht vollständig zurück geführt werden in die qualitativ besseren Energieformen: kinetische- und potentielle Energie. Insofern spricht man quasi philosophisch auch vom zwingenden Wärmetod der Welt, denn irgendwann, vielleicht in 100 Milliarden Jahren, wird alle Energie nur in Wärme überführt sein. So kann z. B. auch eine Dampfmaschine nur einen begrenzten Wirkungsgrad erzielen, denn die zur Verfügung gestellte Wärme kann prinzipiell nicht vollständig in kinetische Energie gewandelt werden.

Julius Robert von Mayer

Julius Robert von Mayer formuliert den Energieerhaltungssatz als Erster.

Geschichte

Der Arzt Julius Robert von Mayer (1814-1878) formuliert den Energieerhaltungssatz als Erster. Parallel dazu arbeitete auch James Prescott Joule am Thema und veröffentlichte 1843 den Energieerhaltungssatz. Im gleichen Jahr berichtete darüber auch der dänische Ingenieur Ludwig August Colding. Am 23.07.1847 referierte dann Hermann von Helmholtz in Berlin über die “Konstanz der Kraft” und bestätigte damit auch die Gültigkeit des Energieerhaltungssatzes.