Energieerhaltungssatz leicht erklärt
Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen und nicht einfach verschwinden - sie wechselt nur ständig ihre Form oder wird von einem Ort zum anderen weitergegeben. Das nennt man den Energieerhaltungssatz (auch 1. Hauptsatz der Thermodynamik genannt).
Wenn Holz verbrennt, verschwindet die darin gespeicherte chemische Energie nicht - sie wird vollständig in Wärme und Licht umgewandelt. Am Ende ist genauso viel Energie da wie vorher, nur eben in anderer Form.
💬 Mia fragt Opa Theo
Wenn ein Lagerfeuer irgendwann ausgeht, ist die ganze Energie dann einfach weg?
Nein, sie verschwindet nie wirklich! Solange das Feuer brennt, wird die chemische Energie im Holz in Wärme umgewandelt, die dich aufwärmt, und in Licht, das du siehst.
Aber am nächsten Morgen ist doch alles kalt und dunkel - wo ist die Energie dann hin?
Sie ist immer noch da, nur ganz weit verteilt! Die Wärme ist in die Luft und den Boden ringsum geströmt, bis man sie nicht mehr spürt. Insgesamt ist genauso viel Energie übrig wie vorher - sie ist nur nicht mehr an einem Ort gebündelt.
Gilt das auch für andere Sachen, nicht nur für Feuer?
Immer! Auf einer Schaukel wird deine Lageenergie ganz oben zu Bewegungsenergie unten - und wieder zurück. Eine Batterie wandelt chemische Energie in elektrische Energie um. Aber erzeugt oder vernichtet wird dabei nie etwas - Energie wird nur weitergegeben oder umgewandelt.
Genau dieses Prinzip erklärt auch, warum ein fallender Gegenstand immer schneller wird: Seine Lageenergie wird beim Fallen in Bewegungsenergie umgewandelt - nichts geht dabei verloren.
Die Energieeinheit Joule ist nach dem britischen Physiker James Prescott Joule benannt, der im 19. Jahrhundert nachwies, dass Wärme eine Form von Energie ist - eine der wichtigsten Entdeckungen auf dem Weg zum Energieerhaltungssatz. Genau deshalb ist ein Perpetuum mobile (eine Maschine, die für immer ohne Energiezufuhr läuft) auch unmöglich: Es würde gegen dieses Naturgesetz verstoßen.
Energieerhaltung — Energie geht nie verloren und entsteht nie neu, sie wechselt nur die Form.
Lageenergie — E = m · g · h.
Bewegungsenergie — E = ½ · m · v².
Spannenergie — in gespannten Federn und Gummis.
Wirkungsgrad — welcher Anteil der Energie in der gewünschten Form ankommt.
Entwertung — nutzbare Energie wird zu Wärme, die sich nicht vollständig zurückverwandeln lässt.
Warum nichts „verbraucht" wird
Umgangssprachlich verbrauchen wir Strom. Physikalisch wird nichts verbraucht, sondern entwertet: Aus hochwertiger elektrischer Energie wird Bewegung, Licht und am Ende Wärme. Die Gesamtmenge bleibt exakt gleich, nur ist verteilte Wärme praktisch nicht mehr nutzbar. Genau deshalb gibt es kein Perpetuum mobile.
Lageenergie oben: E = 0,2 · 9,81 · 5 = 9,81 J
kurz vor dem Boden vollständig Bewegungsenergie:
9,81 = ½ · 0,2 · v² → v² = 98,1 → v = 9,9 m/s
| Vorgang | Wirkungsgrad | Rest wird zu |
|---|---|---|
| LED-Lampe | rund 40 % | Wärme |
| Glühlampe | rund 5 % | Wärme |
| Elektromotor | 85–95 % | Wärme, Reibung |
| Ottomotor | 25–35 % | Abwärme, Abgas |
| Mensch beim Radfahren | rund 25 % | Körperwärme |
„Energie wird verbraucht." Sie wird umgewandelt und entwertet.
Reibung vergessen. Sie verschwindet nicht, sie erzeugt Wärme.
Geschwindigkeit nicht quadriert. Doppelte Geschwindigkeit heißt vierfache Bewegungsenergie — der Grund für den quadratisch wachsenden Bremsweg.
Wirkungsgrad über 100 % angenommen. Unmöglich; Wärmepumpen sind nur scheinbar eine Ausnahme, weil sie Umgebungswärme verschieben statt erzeugen.
Ein Auto (1200 kg) fährt 50 km/h. Berechne die Bewegungsenergie und vergleiche sie mit der bei 100 km/h. Was bedeutet das für den Bremsweg?
Lösung anzeigen
50 km/h = 13,9 m/s → E = ½ · 1200 · 13,9² =
115.900 J
100 km/h = 27,8 m/s → E = ½ · 1200 · 27,8² =
463.700 J
Die doppelte Geschwindigkeit bedeutet die vierfache Energie. Weil
die Bremse diese Energie in Wärme umsetzen muss und ihre Kraft dabei etwa gleich
bleibt, vervierfacht sich auch der Bremsweg. Genau deshalb steht in der Fahrschule
die Faustformel mit dem Quadrat der Zehnerstelle.