Die Energieerhaltung
Definition FAKT
In einem abgeschlossenen System — das weder Materie noch Energie mit der Umgebung austauscht — bleibt die Gesamtenergie konstant.
Sie wird weder erzeugt noch vernichtet. Sie wandelt sich um, verlagert sich, verteilt sich anders.
Die Form ändert sich, nicht die Menge FAKT
| Umwandlung | Ausgangsform | Endform |
|---|---|---|
| Fall eines Körpers | Lageenergie | Bewegungsenergie |
| Bremsen | Bewegungsenergie | Wärme |
| Verbrennung | Chemische Energie | Wärme und Strahlung |
| Photosynthese | Strahlung | Chemische Energie |
Die Summe bleibt in jeder Zeile dieselbe. Ein ideales Pendel tauscht Lage- und Bewegungsenergie unbegrenzt aus; ein wirkliches Pendel kommt schließlich zur Ruhe — nicht weil Energie verschwindet, sondern weil sie sich als Wärme in Luft und Lagern verteilt.
Das Wort „abgeschlossen" leistet die ganze Arbeit FAKT
Bei einem offenen System ändert sich die Energie — und die Bilanz bleibt genau, sofern die Austausche mitgezählt werden:
ΔE=W+Q
Die Energieänderung des Systems ist gleich der zugeführten Arbeit plus der zugeführten Wärme. Das ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik: die Erhaltung, formuliert für ein nicht abgeschlossenes System.
Erweitert man die Grenze, bis sie die Umgebung einschließt, ist man wieder beim abgeschlossenen Fall. Die Erhaltung versagt nie; sie verlangt nur, dass man erklärt, was man zählt.
Masse und Energie FAKT
Die Beziehung E=mc2 widerspricht der Erhaltung nicht: sie erweitert deren Geltungsbereich. Masse ist eine Energieform unter anderen, und erhalten bleibt die Gesamtenergie — die Masse eingeschlossen.
Bei einer Kernreaktion erscheint ein Teil der Masse der Ausgangsstoffe als Strahlungs- und Bewegungsenergie wieder. Nichts geht verloren: die Bilanz schließt sich, sobald Masse als Energie gezählt wird.
Woher dieses Gesetz kommt FAKT
Die Energieerhaltung ist keine beobachtete Tatsache, die man nachträglich zur Regel erhoben hätte. Das Noether-Theorem zeigt, dass jeder stetigen Symmetrie der physikalischen Gesetze eine Erhaltungsgröße entspricht.
Die hier maßgebliche Symmetrie ist die Invarianz unter Zeitverschiebung: ein heute oder morgen durchgeführtes Experiment liefert unter sonst gleichen Bedingungen dasselbe Ergebnis. Aus dieser Invarianz folgt die Energieerhaltung.
Zusammenfassung
Die Energie eines abgeschlossenen Systems wechselt die Form, nicht die Menge — weil die physikalischen Gesetze nicht vom Datum abhängen.