Energie - Energy

Energie
Die Sonne ist die ultimative Energiequelle für den größten Teil des Lebens auf der Erde. Es bezieht seine Energie hauptsächlich aus der Kernfusion in seinem Kern, wobei Masse in Energie umgewandelt wird, wenn Protonen zu Helium kombiniert werden. Diese Energie wird zur Sonnenoberfläche transportiert und dann hauptsächlich in Form von Strahlungsenergie (Licht) in den Weltraum abgegeben .
Gemeinsame Symbole	E
SI-Einheit	Joule
Andere Einheiten	kWh , BTU , Kalorien , eV , erg , Fuß-Pfund
In SI-Basiseinheiten	J = kg m 2 s −2
Umfangreich ?	Jawohl
Konserviert ?	Jawohl
Abmessungen	M L 2 T -2

Thermodynamik
Die klassische Carnot-Wärmekraftmaschine
Geäst Klassik Statistisch Chemisch Quantenthermodynamik Gleichgewicht  / Nicht-Gleichgewicht
Gesetze Nullte Zuerst Sekunde Dritter
Systeme Geschlossenes System Isoliertes System Bundesland Staatsgleichung Ideales Gas Echtes Gas Aggregatszustand Phase (Materie) Gleichgewicht Kontrolllautstärke Instrumente Prozesse Isobar Isochorisch Isotherm Adiabat Isentrop Isenthalpic Quasistatisch Polytrop Kostenlose Erweiterung Reversibilität Irreversibilität Endreversibilität Fahrräder Wärmekraftmaschinen Wärmepumpen Thermischen Wirkungsgrad
Systemeigenschaften Hinweis: Conjugate Variablen in Kursivschrift Eigenschaftsdiagramme Intensive und umfangreiche Eigenschaften Prozessfunktionen Arbeit Hitze Staatsfunktionen Temperatur  / Entropie  ( Einführung ) Druck  / Volumen Chemisches Potenzial  / Partikelzahl Dampfqualität Reduzierte Eigenschaften
Materialeigenschaften Immobiliendatenbanken Spezifische Wärmekapazität  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Komprimierbarkeit  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Wärmeausdehnung  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Gleichungen Satz von Carnot Satz von Clausius Grundrelation Ideales Gasgesetz Maxwell-Beziehungen Gegenseitige Beziehungen zwischen Onsager Bridgmans Gleichungen Tabelle der thermodynamischen Gleichungen
Potenziale Freie Energie Freie Entropie
Geschichte Kultur Geschichte Allgemein Entropie Gasgesetze "Perpetuum mobile" Maschinen Philosophie Entropie und Zeit Entropie und Leben Brownsche Ratsche Maxwells Dämon Hitzetodparadoxon Loschmidts Paradoxon Synergien Theorien Kalorientheorie Vis viva ("lebendige Kraft") Mechanisches Wärmeäquivalent Triebkraft Schlüsselpublikationen " Eine experimentelle Untersuchung zu ... Wärme " „ Über das Gleichgewicht heterogener Stoffe “ " Reflexionen über die Motivkraft des Feuers " Zeitleisten Thermodynamik Wärmekraftmaschinen Kunst Ausbildung Thermodynamische Oberfläche von Maxwell Entropie als Energieverteilung
Wissenschaftler Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
Sonstiges Nukleation Selbstmontage Selbstorganisation Ordnung und Unordnung
Kategorie
v T e

In der Physik , Energie ist die quantitative Eigenschaft , der muß übertragen an einem Körper oder physikalisches System durchzuführen Arbeit auf dem Körper oder an Wärme davon. Energie ist eine Erhaltungsgröße ; das Gesetz der Erhaltung der Energie besagt , dass Energie kann umgewandelt in Form, sondern erschaffen oder zerstört nicht. Die Maßeinheit im internationalen Einheitensystem (SI) von Energie ist die Joulesche , der die Energie auf ein Objekt durch die übertragene Arbeit des Bewegens es einen Abstand von einem Meter gegen eine Kraft einer Newtons .

Übliche Formen von Energie umfassen die kinetische Energie eines sich bewegenden Objekts, die potentielle Energie durch die Position eines Objekts in einem Kraft gespeicherten Feld ( Gravitations , elektrische oder magnetische ), die elastische Energie durch Recken feste Objekte gespeichert, die chemische Energie freigesetzt wird, wenn ein Kraftstoff verbrennt , die vom Licht getragene Strahlungsenergie und die thermische Energie aufgrund der Temperatur eines Objekts .

Masse und Energie hängen eng zusammen. Aufgrund der Masse-Energie-Äquivalenz hat jedes Objekt, das im Stillstand eine Masse hat ( Ruhemasse genannt ), auch eine äquivalente Energiemenge, deren Form Ruheenergie genannt wird , und jede zusätzliche Energie (jeglicher Form), die das Objekt oberhalb dieser Ruheenergie erhält wird die Gesamtmasse des Objekts genauso erhöhen, wie es seine Gesamtenergie erhöht. Zum Beispiel könnte nach dem Erhitzen eines Objekts seine Energiezunahme im Prinzip als kleine Massezunahme mit einer ausreichend empfindlichen Skala gemessen werden .

Lebende Organismen benötigen Energie, um am Leben zu bleiben, wie die Energie, die der Mensch aus Nahrung und Sauerstoff erhält . Die menschliche Zivilisation benötigt zum Funktionieren Energie, die sie aus Energieressourcen wie fossilen Brennstoffen , Kernbrennstoffen oder erneuerbaren Energien erhält . Die Prozesse des Klimas und des Ökosystems der Erde werden durch die Strahlungsenergie, die die Erde von der Sonne erhält, und die in der Erde enthaltene geothermische Energie angetrieben .

Formen

In einem typischen Blitzschlag, 500 Megajoule von elektrischer Potentialenergie wird in die gleiche Menge an Energie in anderen Formen umgewandelt, meist Lichtenergie , Schallenergie und Wärmeenergie .

Thermische Energie ist Energie von mikroskopischen Bestandteilen der Materie, die sowohl kinetische als auch potentielle Energie beinhalten kann .

Die Gesamtenergie eines Systems kann auf verschiedene Weise in potentielle Energie, kinetische Energie oder Kombinationen aus beiden unterteilt und klassifiziert werden. Die kinetische Energie wird durch die Bewegung eines Objekts bestimmt – oder die zusammengesetzte Bewegung der Komponenten eines Objekts – und die potentielle Energie spiegelt das Bewegungspotential eines Objekts wider und ist im Allgemeinen eine Funktion der Position eines Objekts innerhalb eines Feldes oder kann im Feld selbst gespeichert werden.

Während diese beiden Kategorien ausreichen, um alle Energieformen zu beschreiben, ist es oft bequem, bestimmte Kombinationen von potentieller und kinetischer Energie als eigene Form zu bezeichnen. Zum Beispiel wird die Summe aus kinetischer und potentieller Translations- und Rotationsenergie innerhalb eines Systems als mechanische Energie bezeichnet , während sich Kernenergie auf die kombinierten Potentiale innerhalb eines Atomkerns aus entweder der Kernkraft oder der schwachen Kraft bezieht , unter anderem.

Geschichte

Thomas Young , der als erster den Begriff "Energie" im modernen Sinne verwendet.

Das Wort Energie leitet sich aus dem Altgriechischen ab : ἐνέργεια , romanisiert :  energeia , lit.  'Tätigkeit, Betrieb', die möglicherweise zum ersten Mal im Werk des Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. auftaucht . Im Gegensatz zur modernen Definition war Energeia ein qualitatives philosophisches Konzept, das breit genug war, um Ideen wie Glück und Vergnügen einzuschließen.

Im späten 17. Jahrhundert schlug Gottfried Leibniz die Idee des Lateinischen vor : vis viva oder lebendige Kraft, die als das Produkt aus der Masse eines Objekts und seiner Geschwindigkeit im Quadrat definiert ist; er glaubte, dass die totale vis viva erhalten blieb. Um die Verlangsamung aufgrund von Reibung zu erklären, stellte Leibniz die Theorie auf, dass thermische Energie aus den Bewegungen der Bestandteile der Materie besteht, obwohl es mehr als ein Jahrhundert dauern würde, bis dies allgemein akzeptiert wurde. Das moderne Analogon dieser Eigenschaft, die kinetische Energie , unterscheidet sich von vis viva nur um den Faktor zwei. Das Schreiben im frühen 18. Jahrhundert, Émilie du Châtelet vorgeschlagen , das Konzept der Erhaltung der Energie in den marginalia ihrer Sprache Französisch Übersetzung von Newtons Principia Mathematica , die die erste Formulierung einer konservierten messbare Größe dargestellt , die aus verschiedenen war Schwung , und die später würde "Energie" genannt werden.

Im Jahr 1807 war Thomas Young möglicherweise der erste, der den Begriff "Energie" anstelle von vis viva im modernen Sinne verwendete. Gustave-Gaspard Coriolis beschrieb 1829 „ kinetische Energie “ im modernen Sinne, und 1853 prägte William Rankine den Begriff „ potentielle Energie “. Auch der Energieerhaltungssatz wurde erstmals im frühen 19. Jahrhundert postuliert und gilt für jedes isolierte System . Es wurde seit einigen Jahren diskutiert, ob Wärme eine physikalische Substanz sei, die als Kalorien bezeichnet wird , oder nur eine physikalische Größe wie Impuls . 1845 entdeckte James Prescott Joule den Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit und Wärmeentwicklung.

Diese Entwicklungen führten zur Theorie der Energieerhaltung, die weitgehend von William Thomson ( Lord Kelvin ) als das Gebiet der Thermodynamik formalisiert wurde . Die Thermodynamik unterstützte die schnelle Entwicklung von Erklärungen chemischer Prozesse durch Rudolf Clausius , Josiah Willard Gibbs und Walther Nernst . Es führte auch zu einer mathematischen Formulierung des Entropiebegriffs von Clausius und zur Einführung von Gesetzen der Strahlungsenergie durch Jožef Stefan . Nach dem Satz von Noether ist die Energieerhaltung eine Folge der Tatsache, dass sich die Gesetze der Physik im Laufe der Zeit nicht ändern. So haben Theoretiker seit 1918 verstanden, dass der Energieerhaltungssatz die direkte mathematische Konsequenz der Translationssymmetrie der zur Energie konjugierten Größe , nämlich der Zeit, ist.

Maßeinheiten

Joulesche Apparatur zur Messung des mechanischen Wärmeäquivalents. Ein an einer Schnur befestigtes absteigendes Gewicht lässt ein in Wasser getauchtes Paddel rotieren.

1843 entdeckte James Prescott Joule unabhängig in einer Reihe von Experimenten das mechanische Äquivalent. Die berühmtesten von ihnen verwendeten den "Joule-Apparat": Ein an einer Schnur befestigtes absteigendes Gewicht verursachte die Drehung eines in Wasser eingetauchten Paddels, das praktisch von der Wärmeübertragung isoliert war. Es zeigte sich, dass die potentielle Gravitationsenergie, die durch das Gewicht beim Abstieg verloren ging, gleich der inneren Energie war, die das Wasser durch Reibung mit dem Paddel gewann.

Im Internationalen Einheitensystem (SI) ist die Energieeinheit das Joule, benannt nach Joule. Es ist eine abgeleitete Einheit . Sie ist gleich der aufgewendeten Energie (oder geleisteten Arbeit ), um eine Kraft von einem Newton über eine Distanz von einem Meter auszuüben. Energie wird jedoch auch in vielen anderen Einheiten ausgedrückt, die nicht Teil des SI sind, wie z. B. Erg , Kalorien , britische Wärmeeinheiten , Kilowattstunden und Kilokalorien , die einen Umrechnungsfaktor erfordern, wenn sie in SI-Einheiten ausgedrückt werden.

Die SI-Einheit der Energierate (Energie pro Zeiteinheit) ist Watt , das ist ein Joule pro Sekunde. Somit entspricht ein Joule einer Wattsekunde und 3600 Joule entsprechen einer Wattstunde. Die CGS- Energieeinheit ist das Erg und die imperiale und in den USA übliche Einheit ist das Foot Pound . Andere Energieeinheiten wie Elektronvolt , Nahrungskalorie oder thermodynamische kcal (basierend auf der Temperaturänderung von Wasser bei einem Erwärmungsprozess) und BTU werden in bestimmten Bereichen von Wissenschaft und Wirtschaft verwendet.

Wissenschaftliche Nutzung

Klassische Mechanik

Teil einer Serie über
Klassische Mechanik
${\displaystyle {\textbf {F}}={\frac {d}{dt}}(m{\textbf {v}})}$ Zweites Bewegungsgesetz
Geschichte Zeitleiste Lehrbücher
Geäst
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Formulierungen
Kernthemen
Drehung
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In der klassischen Mechanik ist Energie eine konzeptionell und mathematisch nützliche Eigenschaft, da sie eine Erhaltungsgröße ist . Es wurden mehrere Formulierungen der Mechanik entwickelt, die Energie als Kernkonzept verwenden.

Arbeit , eine Funktion der Energie, ist Kraft mal Weg.

${\displaystyle W=\int_{C}\mathbf{F}\cdot\mathrm{d}\mathbf{s}}$

Dies besagt, dass die Arbeit ( ) gleich dem Linienintegral der Kraft F entlang einer Strecke C ist ; Details finden Sie im Artikel über mechanische Arbeiten . Arbeit und damit Energie ist rahmenabhängig . Stellen Sie sich zum Beispiel einen Ball vor, der von einem Schläger getroffen wird. Im Schwerpunktbezugssystem verrichtet der Schläger keine Arbeit am Ball. Im Bezugssystem der den Schläger schwingenden Person wird jedoch erhebliche Arbeit am Ball verrichtet. ${\displaystyle W}$

Die Gesamtenergie eines Systems wird nach William Rowan Hamilton manchmal Hamilton- Operator genannt . Die klassischen Bewegungsgleichungen lassen sich auch für hochkomplexe oder abstrakte Systeme mit dem Hamilton-Operator schreiben. Diese klassischen Gleichungen haben bemerkenswert direkte Analogien in der nichtrelativistischen Quantenmechanik.

Ein weiteres energiebezogenes Konzept wird Lagrange nach Joseph-Louis Lagrange genannt . Dieser Formalismus ist ebenso fundamental wie der Hamilton-Operator, und beide können verwendet werden, um die Bewegungsgleichungen abzuleiten oder daraus abzuleiten. Es wurde im Kontext der klassischen Mechanik erfunden , ist aber in der modernen Physik allgemein nützlich. Die Lagrange-Funktion ist definiert als die kinetische Energie minus der potentiellen Energie. Normalerweise ist der Lagrange-Formalismus für nicht-konservative Systeme (wie Systeme mit Reibung) mathematisch bequemer als der Hamilton-Operator.

Der Satz von Noether (1918) besagt, dass jede differenzierbare Symmetrie der Wirkung eines physikalischen Systems einen entsprechenden Erhaltungssatz hat. Der Satz von Noether ist zu einem grundlegenden Werkzeug der modernen theoretischen Physik und der Variationsrechnung geworden. Eine Verallgemeinerung der bahnbrechenden Formulierungen zu Bewegungskonstanten in der Lagrange- und Hamilton-Mechanik (1788 bzw. 1833), sie gilt nicht für Systeme, die nicht mit einem Lagrange-Operator modelliert werden können; beispielsweise brauchen dissipative Systeme mit stetigen Symmetrien keinen entsprechenden Erhaltungssatz.

Chemie

Im Kontext der Chemie ist Energie eine Eigenschaft eines Stoffes als Folge seiner atomaren, molekularen oder Aggregatstruktur. Da eine chemische Umwandlung mit einer Veränderung einer oder mehrerer dieser Strukturarten einhergeht, geht sie gewöhnlich mit einer Abnahme und manchmal einer Zunahme der Gesamtenergie der beteiligten Stoffe einher. Ein Teil der Energie kann zwischen der Umgebung und den Reaktanten in Form von Wärme oder Licht übertragen werden; daher haben die Produkte einer Reaktion manchmal mehr, aber normalerweise weniger Energie als die Reaktanten. Eine Reaktion wird als exotherm oder exergonisch bezeichnet, wenn der Endzustand auf der Energieskala niedriger ist als der Anfangszustand; im selteneren Fall endothermer Reaktionen ist die Situation umgekehrt. Chemische Reaktionen sind normalerweise nicht möglich, es sei denn, die Reaktanten überwinden eine Energiebarriere, die als Aktivierungsenergie bekannt ist . Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion (bei einer gegebenen Temperatur  T ) hängt mit der Aktivierungsenergie  E durch den Boltzmann-Besetzungsfaktor e ^{− E / kT zusammen} ; das heißt, die Wahrscheinlichkeit, dass ein Molekül bei einer gegebenen Temperatur  T eine Energie größer oder gleich  E hat . Diese exponentielle Abhängigkeit einer Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur ist als Arrhenius-Gleichung bekannt . Die für eine chemische Reaktion notwendige Aktivierungsenergie kann in Form von thermischer Energie bereitgestellt werden.

Biologie

Grundlegender Überblick über Energie und menschliches Leben .

In der Biologie ist Energie ein Attribut aller biologischen Systeme von der Biosphäre bis zum kleinsten lebenden Organismus. Innerhalb eines Organismus ist es für das Wachstum und die Entwicklung einer biologischen Zelle oder Organelle eines biologischen Organismus verantwortlich. Die bei der Atmung verwendete Energie wird hauptsächlich in molekularem Sauerstoff gespeichert und kann durch Reaktionen mit Molekülen von Substanzen wie Kohlenhydraten (einschließlich Zuckern), Lipiden und Proteinen, die von Zellen gespeichert werden, freigesetzt werden . Auf den Menschen bezogen gibt das menschliche Äquivalent (He) (Menschliche Energieumwandlung) bei einem gegebenen Energieverbrauch die relative Energiemenge an, die für den menschlichen Stoffwechsel benötigt wird , wobei als Standard ein durchschnittlicher menschlicher Energieverbrauch von 12.500 kJ pro Tag verwendet wird und ein Grundumsatz von 80 Watt. Wenn unser Körper beispielsweise (im Durchschnitt) mit 80 Watt arbeitet, dann läuft eine Glühbirne mit 100 Watt mit 1,25 menschlichen Äquivalenten (100 ÷ 80), dh 1,25 He. Für eine schwierige Aufgabe von nur wenigen Sekunden Dauer kann eine Person Tausende von Watt leisten, ein Vielfaches der 746 Watt in einer offiziellen PS. Für Aufgaben, die einige Minuten dauern, kann ein fitter Mensch vielleicht 1.000 Watt erzeugen. Bei einer Aktivität, die eine Stunde lang aufrechterhalten werden muss, sinkt die Leistung auf etwa 300; für eine Aktivität, die den ganzen Tag durchgehalten wird, sind 150 Watt ungefähr das Maximum. Das menschliche Äquivalent hilft beim Verständnis von Energieflüssen in physikalischen und biologischen Systemen, indem es Energieeinheiten in menschlichen Begriffen ausdrückt: Es gibt ein "Gefühl" für die Verwendung einer bestimmten Energiemenge.

Die Strahlungsenergie des Sonnenlichts wird auch von Pflanzen als chemische potentielle Energie bei der Photosynthese eingefangen , wenn Kohlendioxid und Wasser (zwei niederenergetische Verbindungen) in Kohlenhydrate, Lipide, Proteine ​​und energiereiche Verbindungen wie Sauerstoff und ATP umgewandelt werden. Kohlenhydrate, Lipide und Proteine ​​können die Energie des Sauerstoffs freisetzen, der von lebenden Organismen als Elektronenakzeptor genutzt wird . Die bei der Photosynthese gespeicherte Energie in Form von Wärme oder Licht kann plötzlich durch einen Funken, bei einem Waldbrand freigesetzt werden oder langsamer für den tierischen oder menschlichen Stoffwechsel verfügbar gemacht werden, wenn organische Moleküle aufgenommen werden und der Katabolismus durch Enzyme ausgelöst wird Handlung.

Jeder lebende Organismus ist auf eine externe Energiequelle angewiesen – bei grünen Pflanzen die Strahlungsenergie der Sonne, bei Tieren chemische Energie in irgendeiner Form – um zu wachsen und sich fortzupflanzen. Die für einen menschlichen Erwachsenen empfohlenen täglichen 1500–2000  Kalorien (6–8 MJ) werden als Kombination von Sauerstoff und Nahrungsmolekülen eingenommen, letztere hauptsächlich Kohlenhydrate und Fette, davon Glucose (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) und Stearin (C .). ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ ) sind geeignete Beispiele. Die Nahrungsmoleküle werden in den Mitochondrien zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {C57H110O6 + 81,5O2 -> 57CO2 + 55H2O}}}$

und ein Teil der Energie wird verwendet, um ADP in ATP umzuwandeln :

ADP + HPO ₄ ²⁻ → ATP + H ₂ O

Der Rest der chemischen Energie wird in O _{2 umgewandelt} und das Kohlenhydrat oder Fett wird in Wärme umgewandelt: Das ATP wird als eine Art "Energiewährung" verwendet und ein Teil der darin enthaltenen chemischen Energie wird für andere Stoffwechselvorgänge verwendet, wenn ATP reagiert mit OH-Gruppen und spaltet sich schließlich in ADP und Phosphat auf (in jeder Stufe eines Stoffwechselweges wird ein Teil der chemischen Energie in Wärme umgewandelt). Nur ein winziger Bruchteil der ursprünglichen chemischen Energie wird für die Arbeit verwendet :

kinetische Energiezunahme eines Sprinters bei einem 100-m-Lauf: 4 kJ

Gewinn an potentieller Gravitationsenergie eines 150 kg schweren Gewichts, das über 2 Meter gehoben wird: 3 kJ

Tägliche Nahrungsaufnahme eines normalen Erwachsenen: 6–8 MJ

Es scheint, dass lebende Organismen bemerkenswert ineffizient (im physikalischen Sinne) im Umgang mit der Energie, die sie erhalten (chemische oder Strahlungsenergie), verwenden; die meisten Maschinen erreichen höhere Wirkungsgrade. In wachsenden Organismen erfüllt die in Wärme umgewandelte Energie einen lebenswichtigen Zweck, da sie eine hohe Ordnung des Organismusgewebes in Bezug auf die Moleküle ermöglicht, aus denen es aufgebaut ist. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie (und Materie) dazu neigt, sich gleichmäßiger über das Universum zu verteilen: Um Energie (oder Materie) an einem bestimmten Ort zu konzentrieren, ist es notwendig, eine größere Menge an Energie (als Wärme) zu verteilen. über den Rest des Universums ("die Umgebung"). Einfachere Organismen können eine höhere Energieeffizienz erreichen als komplexere, aber die komplexen Organismen können ökologische Nischen besetzen , die ihren einfacheren Brüdern nicht zur Verfügung stehen. Die Umwandlung eines Teils der chemischen Energie in Wärme bei jedem Schritt eines Stoffwechselweges ist der physikalische Grund für die in der Ökologie beobachtete Pyramide der Biomasse . Um nur den ersten Schritt in der Nahrungskette zu nennen : Von den geschätzten 124,7 Pg/a Kohlenstoff, der durch Photosynthese fixiert wird , werden 64,3 Pg/a (52 %) für den Stoffwechsel der Grünpflanzen verwendet, also wieder in Kohlendioxid und Hitze.

Geowissenschaften

In der Geologie sind Kontinentaldrift , Gebirgszüge , Vulkane und Erdbeben Phänomene, die durch Energieumwandlungen im Erdinneren erklärt werden können, während meteorologische Phänomene wie Wind, Regen, Hagel , Schnee, Blitze, Tornados und Hurrikane die Folge sind der Energieumwandlungen in unserer Atmosphäre durch Sonnenenergie .

Sonnenlicht ist der wichtigste Beitrag zum Energiehaushalt der Erde, der für ihre Temperatur- und Klimastabilität verantwortlich ist. Sonnenlicht kann als potentielle Gravitationsenergie gespeichert werden, nachdem es auf die Erde auftrifft, da (zum Beispiel wenn) Wasser aus Ozeanen verdunstet und sich auf Bergen ablagert (wo es, nachdem es an einem Wasserkraftwerk freigesetzt wurde, zum Antrieb von Turbinen oder Generatoren verwendet werden kann Strom produzieren). Sonnenlicht treibt auch die meisten Wetterphänomene an, abgesehen von wenigen Ausnahmen, wie sie beispielsweise durch vulkanische Ereignisse erzeugt werden. Ein Beispiel für ein sonnenvermitteltes Wetterereignis ist ein Hurrikan, der auftritt, wenn große instabile Gebiete des warmen Ozeans, die über Monate erhitzt werden, plötzlich einen Teil ihrer thermischen Energie abgeben, um einige Tage heftiger Luftbewegungen zu erzeugen.

In einem langsameren Prozess wird beim radioaktiven Zerfall von Atomen im Erdkern Wärme frei. Diese thermische Energie treibt die Plattentektonik an und kann durch Orogenese Berge anheben . Dieses langsame Anheben stellt eine Art gravitativer potentieller Energiespeicher der thermischen Energie dar, die später bei Erdrutschen nach einem auslösenden Ereignis in aktive kinetische Energie umgewandelt werden kann. Erdbeben setzen auch in Gesteinen gespeicherte elastische potentielle Energie frei, die letztlich aus denselben radioaktiven Wärmequellen erzeugt wurde. So setzen nach heutigem Verständnis bekannte Ereignisse wie Erdrutsche und Erdbeben Energie frei, die als potentielle Energie im Gravitationsfeld der Erde oder als elastische Dehnung (mechanische potentielle Energie) in Gesteinen gespeichert wurde. Zuvor stellen sie die Freisetzung von Energie dar, die in schweren Atomen seit dem Kollaps längst zerstörter Supernova-Sterne (die diese Atome geschaffen haben) gespeichert wurde.

Kosmologie

In der Kosmologie und Astronomie sind die Phänomene von Sternen , Nova , Supernova , Quasaren und Gammastrahlenausbrüchen die energiereichsten Materieumwandlungen des Universums. Alle stellaren Phänomene (einschließlich Sonnenaktivität) werden durch verschiedene Arten von Energieumwandlungen angetrieben. Die Energie bei solchen Transformationen stammt entweder aus dem gravitativen Kollaps von Materie (normalerweise molekularem Wasserstoff) in verschiedene Klassen astronomischer Objekte (Sterne, Schwarze Löcher usw.) oder aus der Kernfusion (von leichteren Elementen, hauptsächlich Wasserstoff). Durch die Kernfusion von Wasserstoff in der Sonne wird zudem ein weiterer potenzieller Energiespeicher freigesetzt, der zur Zeit des Urknalls entstanden ist . Damals dehnte sich der Weltraum laut Theorie aus und das Universum kühlte sich zu schnell ab, als dass Wasserstoff vollständig zu schwereren Elementen verschmelzen konnte. Dies bedeutete, dass Wasserstoff einen Speicher potentieller Energie darstellt, der durch Fusion freigesetzt werden kann. Ein solcher Fusionsprozess wird durch Hitze und Druck ausgelöst, die durch den Gravitationskollaps von Wasserstoffwolken entstehen, wenn sie Sterne erzeugen, und ein Teil der Fusionsenergie wird dann in Sonnenlicht umgewandelt.

Quantenmechanik

In der Quantenmechanik wird Energie durch den Energieoperator (Hamilton) als zeitliche Ableitung der Wellenfunktion definiert . Die Schrödinger-Gleichung setzt den Energieoperator der vollen Energie eines Teilchens oder Systems gleich. Seine Ergebnisse können als Definition der Energiemessung in der Quantenmechanik angesehen werden. Die Schrödinger-Gleichung beschreibt die Raum- und Zeitabhängigkeit einer sich langsam ändernden (nicht-relativistischen) Wellenfunktion von Quantensystemen. Die Lösung dieser Gleichung für ein gebundenes System ist diskret (eine Menge zulässiger Zustände, von denen jeder durch ein Energieniveau gekennzeichnet ist ), was zum Konzept der Quanten führt . Bei der Lösung der Schrödinger-Gleichung für jeden Oszillator (Vibrator) und für elektromagnetische Wellen im Vakuum sind die resultierenden Energiezustände mit der Frequenz durch die Plancksche Beziehung verbunden : (wobei die Plancksche Konstante und die Frequenz ist). Bei einer elektromagnetischen Welle werden diese Energiezustände als Lichtquanten oder Photonen bezeichnet . ${\displaystyle E=h\nu}$${\displaystyle h}$${\displaystyle \nu}$

Relativität

Bei der relativistischen Berechnung der kinetischen Energie ( Arbeit , um einen massiven Körper von Null auf eine endliche Geschwindigkeit zu beschleunigen) – unter Verwendung von Lorentz-Transformationen anstelle der Newtonschen Mechanik – entdeckte Einstein, dass ein unerwartetes Nebenprodukt dieser Berechnungen ein Energieterm ist, der bei Null nicht verschwindet Geschwindigkeit. Er nannte es Ruheenergie : Energie, die jeder massive Körper besitzen muss, auch wenn er ruht. Die Energiemenge ist direkt proportional zur Masse des Körpers:

${\displaystyle E_{0}=m_{0}c^{2}}$,

wo

m ₀ ist die Ruhemasse des Körpers,

c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum,

${\displaystyle E_{0}}$ ist die Restenergie.

Betrachten wir zum Beispiel Elektronen - Positronen Annihilation, in dem die Restenergie dieser beiden einzelnen Teilchen (äquivalent zu ihrer Ruhemasse) mit der Strahlungsenergie der erzeugten Photonen im Prozess umgewandelt wird. In diesem System werden Materie und Antimaterie (Elektronen und Positronen) zerstört und in Nicht-Materie (die Photonen) umgewandelt. Die Gesamtmasse und die Gesamtenergie ändern sich jedoch während dieser Wechselwirkung nicht. Die Photonen haben jeweils keine Ruhemasse, aber dennoch eine Strahlungsenergie, die dieselbe Trägheit wie die beiden ursprünglichen Teilchen aufweist. Dies ist ein reversibler Prozess – der inverse Prozess wird Paarbildung genannt – bei dem die Ruhemasse der Teilchen aus der Strahlungsenergie von zwei (oder mehr) vernichtenden Photonen entsteht.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie dient der Spannungs-Energie-Tensor als Quellterm für das Gravitationsfeld, in grober Analogie zu der Art und Weise, wie Masse als Quellterm in der nichtrelativistischen Newtonschen Näherung dient.

Energie und Masse sind Manifestationen ein und derselben zugrunde liegenden physikalischen Eigenschaft eines Systems. Diese Eigenschaft ist verantwortlich für die Trägheit und Stärke der Gravitationswechselwirkung des Systems ("Massenmanifestationen") und ist auch verantwortlich für die potenzielle Fähigkeit des Systems, Arbeit oder Wärme zu verrichten ("Energiemanifestationen"), vorbehaltlich der Einschränkungen von andere physikalische Gesetze.

In der klassischen Physik ist Energie eine skalare Größe, die kanonisch konjugiert zur Zeit. In der speziellen Relativitätstheorie ist Energie auch ein Skalar (allerdings kein Lorentz-Skalar, sondern eine Zeitkomponente des Energie-Impuls-4-Vektors ). Mit anderen Worten, ist Energie in Bezug auf Drehungen invariant Raum , aber nicht invariant gegenüber Drehungen der Raum - Zeit (= Boosts ).

Transformation

Ein Turbogenerator wandelt die Energie von unter Druck stehendem Dampf in elektrische Energie um

Energie kann umgewandelt zwischen verschiedenen Formen in verschiedenen Effizienzen . Elemente, die zwischen diesen Formen transformieren, werden Transducer genannt . Beispiele für Wandler umfassen eine Batterie , von chemischer Energie zu elektrischer Energie ; ein Damm: potentielle Gravitationsenergie zu kinetischer Energie von bewegtem Wasser (und den Schaufeln einer Turbine ) und schließlich zu elektrischer Energie durch einen elektrischen Generator oder eine Wärmekraftmaschine (von Wärme zu Arbeit).

Beispiele für die Energieumwandlung sind die Erzeugung elektrischer Energie aus Wärmeenergie über eine Dampfturbine oder das Heben eines Objekts gegen die Schwerkraft unter Verwendung elektrischer Energie, die einen Kranmotor antreibt. Das Heben gegen die Schwerkraft verrichtet mechanische Arbeit am Objekt und speichert potentielle Gravitationsenergie im Objekt. Fällt das Objekt zu Boden, verrichtet die Schwerkraft mechanische Arbeit am Objekt, die die potentielle Energie im Gravitationsfeld in die beim Aufprall auf den Boden als Wärme freigesetzte kinetische Energie umwandelt. Unsere Sonne wandelt potentielle Kernenergie in andere Energieformen um; seine Gesamtmasse nimmt dadurch selbst nicht ab (da er auch in unterschiedlichen Formen immer noch die gleiche Gesamtenergie enthält), aber seine Masse nimmt ab, wenn die Energie größtenteils als Strahlungsenergie an seine Umgebung entweicht .

Wie effizient Wärme in einem Kreisprozess, z. B. in einer Wärmekraftmaschine, in Arbeit umgewandelt werden kann, unterliegt strengen Grenzen, wie durch den Satz von Carnot und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben . Einige Energieumwandlungen können jedoch sehr effizient sein. Die Richtung der Energieumwandlungen (welche Art von Energie wird in welche andere Art umgewandelt) wird oft durch Überlegungen zur Entropie (gleiche Energieverteilung auf alle verfügbaren Freiheitsgrade ) bestimmt. In der Praxis sind alle Energieumwandlungen in kleinem Maßstab erlaubt, aber gewisse größere Umwandlungen sind nicht erlaubt, weil es statistisch unwahrscheinlich ist, dass Energie oder Materie zufällig in konzentriertere Formen oder kleinere Räume wandern.

Energieumwandlungen im Universum im Laufe der Zeit sind dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Arten von potentieller Energie, die seit dem Urknall verfügbar war, später "freigesetzt" (umgewandelt in aktivere Energiearten wie kinetische oder strahlende Energie) werden, wenn ein Auslösemechanismus verfügbar ist. Bekannte Beispiele für solche Prozesse sind die Nukleosynthese , ein Prozess, der letztendlich die potentielle Gravitationsenergie nutzt, die beim Gravitationskollaps von Supernovae freigesetzt wird , um Energie bei der Erzeugung schwerer Isotope (wie Uran und Thorium ) zu "speichern" , und der Kernzerfall , ein Prozess, bei dem Dabei wird Energie freigesetzt, die ursprünglich in diesen schweren Elementen gespeichert war, bevor sie in das Sonnensystem und die Erde eingebaut wurden. Diese Energie wird in Atomspaltbomben oder bei der zivilen Atomstromerzeugung ausgelöst und freigesetzt . Auch im Falle einer chemischen Explosion , chemische Potential Energie wird umgewandelt kinetische und thermische Energie in sehr kurzer Zeit. Ein anderes Beispiel ist das eines Pendels . An seinen höchsten Punkten ist die kinetische Energie null und die potentielle Gravitationsenergie ist maximal. Am tiefsten Punkt ist die kinetische Energie maximal und entspricht der Abnahme der potentiellen Energie . Geht man (unrealistischerweise) davon aus, dass es keine Reibung oder andere Verluste gibt, wäre die Energieumwandlung zwischen diesen Prozessen perfekt und das Pendel würde ewig weiterschwingen.

Energie wird auch ständig von potentieller Energie ( ) in kinetische Energie ( ) und dann wieder zurück in potentielle Energie übertragen. Dies wird als Energieerhaltung bezeichnet. In diesem isolierten System kann keine Energie erzeugt oder zerstört werden; daher sind die Anfangsenergie und die Endenergie gleich. Dies kann durch Folgendes nachgewiesen werden: ${\displaystyle E_{p}}$${\displaystyle E_{k}}$

${\displaystyle E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}}$

( 4 )

Die Gleichung kann dann weiter vereinfacht werden, da (Masse mal Erdbeschleunigung mal Höhe) und (halbe Masse mal Geschwindigkeit zum Quadrat). Dann kann die Gesamtenergiemenge durch Addition ermittelt werden . ${\displaystyle E_{p}=mgh}$${\displaystyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$${\displaystyle E_{p}+E_{k}=E_{total}}$

Energie- und Masseerhaltung bei der Umwandlung

Energie erzeugt Gewicht, wenn sie in einem System ohne Impuls gefangen ist, wo sie gewogen werden kann. Es ist auch äquivalent zur Masse, und diese Masse ist immer mit ihr verbunden. Masse ist auch äquivalent zu einer bestimmten Energiemenge und erscheint ebenfalls immer damit verbunden, wie in Masse-Energie-Äquivalenz beschrieben . Die von Albert Einstein (1905) abgeleitete Formel E  =  mc² quantifiziert den Zusammenhang zwischen relativistischer Masse und Energie im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie. In verschiedenen theoretischen Rahmen wurden ähnliche Formeln von JJ Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904) und anderen abgeleitet (siehe Massen-Energie-Äquivalenz#History für weitere Informationen).

Ein Teil der Ruheenergie (entspricht der Ruhemasse) der Materie kann in andere Energieformen umgewandelt werden (die noch Masse aufweisen), aber weder Energie noch Masse können zerstört werden; vielmehr bleiben beide während jedes Prozesses konstant. Da die Umwandlung einer alltäglichen Ruhemasse (zum Beispiel 1 kg) von Ruheenergie in andere Energieformen (wie kinetische Energie, thermische Energie oder die mitgeführte Strahlungsenergie durch Licht und andere Strahlung) können enorme Energiemengen (~ Joule = 21 Megatonnen TNT) freisetzen , wie es in Kernreaktoren und Atomwaffen zu sehen ist . Umgekehrt ist das Massenäquivalent einer alltäglichen Energiemenge winzig, weshalb ein Energieverlust (Masseverlust) der meisten Systeme auf einer Waage nur schwer messbar ist, es sei denn, der Energieverlust ist sehr groß. Beispiele für große Umwandlungen zwischen Ruheenergie (der Materie) und anderen Energieformen (zB kinetische Energie in Teilchen mit Ruhemasse) finden sich in der Kern- und Teilchenphysik . Oftmals ist die Umwandlung von Masse in Energie jedoch durch Erhaltungssätze verboten . ${\displaystyle c^{2}}$${\displaystyle 9\times 10^{16}}$

Reversible und nicht reversible Transformationen

Die Thermodynamik unterteilt die Energieumwandlung in zwei Arten: reversible Prozesse und irreversible Prozesse . Ein irreversibler Prozess ist ein Prozess, bei dem Energie in leere Energiezustände, die in einem Volumen verfügbar sind, dissipiert (gespreizt) wird, aus dem sie nicht in konzentriertere Formen (weniger Quantenzustände) zurückgewonnen werden kann, ohne noch mehr Energie abzubauen. Ein reversibler Prozess ist ein Prozess, bei dem diese Art der Dissipation nicht auftritt. Beispielsweise ist die Energieumwandlung von einem Potentialfeldtyp in einen anderen reversibel, wie bei dem oben beschriebenen Pendelsystem. Bei Prozessen, bei denen Wärme erzeugt wird, fungieren Quantenzustände niedrigerer Energie, die als mögliche Anregungen in Feldern zwischen Atomen vorliegen, als Reservoir für einen Teil der Energie, aus dem sie nicht zurückgewonnen werden kann, um mit 100% Effizienz in andere umgewandelt zu werden Energieformen. In diesem Fall muss die Energie teilweise als thermische Energie verbleiben und kann nicht vollständig als nutzbare Energie zurückgewonnen werden, außer um den Preis einer Zunahme einer anderen Art von wärmeähnlicher Zunahme der Unordnung in Quantenzuständen im Universum (wie z eine Ausdehnung von Materie oder eine Randomisierung in einem Kristall).

Während sich das Universum mit der Zeit entwickelt, wird immer mehr seiner Energie in irreversiblen Zuständen gefangen (dh als Wärme oder als andere Arten von zunehmender Unordnung). Dies wurde als der unvermeidliche thermodynamische Hitzetod des Universums bezeichnet . Bei diesem Hitzetod ändert sich die Energie des Universums nicht, aber der Energieanteil, der verfügbar ist, um durch eine Wärmekraftmaschine Arbeit zu verrichten oder in andere nutzbare Energieformen umgewandelt zu werden (durch den Einsatz von Generatoren, die an Wärmekraftmaschinen angebracht sind), nimmt weiter ab.

Energieeinsparung

Die Tatsache, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann, wird Energieerhaltungssatz genannt . In Form des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik besagt dieser, dass die Energie eines geschlossenen Systems konstant ist, es sei denn , dass Energie als Arbeit oder Wärme ein- oder ausgekoppelt wird , und dass bei der Übertragung keine Energie verloren geht. Der gesamte Energiezufluss in ein System muss gleich dem gesamten Energieabfluss aus dem System zuzüglich der Änderung der im System enthaltenen Energie sein. Immer wenn man die Gesamtenergie eines Systems von Teilchen misst (oder berechnet), deren Wechselwirkungen nicht explizit von der Zeit abhängen, stellt man fest, dass die Gesamtenergie des Systems immer konstant bleibt.

Während Wärme bei einer reversiblen isothermen Expansion eines idealen Gases immer vollständig in Arbeit umgewandelt werden kann, besagt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik für praktisch interessante Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen , dass das arbeitende System immer etwas Energie als Abwärme verliert . Dies schafft eine Grenze für die Menge an Wärmeenergie, die in einem Kreisprozess Arbeit verrichten kann, eine Grenze, die als verfügbare Energie bezeichnet wird . Mechanische und andere Energieformen können ohne solche Einschränkungen in die andere Richtung in thermische Energie umgewandelt werden. Die Gesamtenergie eines Systems kann berechnet werden, indem alle Energieformen im System addiert werden.

Richard Feynman sagte während eines Vortrags von 1961:

Es gibt eine Tatsache oder, wenn Sie möchten, ein Gesetz , das alle bisher bekannten Naturphänomene regelt. Es gibt keine bekannte Ausnahme von diesem Gesetz – es ist, soweit wir wissen, genau. Das Gesetz heißt Energieerhaltung . Es besagt, dass es eine bestimmte Größe gibt, die wir Energie nennen, die sich bei vielfältigen Veränderungen, die die Natur erfährt, nicht ändert. Das ist eine sehr abstrakte Idee, weil es ein mathematisches Prinzip ist; es besagt, dass es eine numerische Größe gibt, die sich nicht ändert, wenn etwas passiert. Es ist keine Beschreibung eines Mechanismus oder etwas Konkretes; Es ist nur eine seltsame Tatsache, dass wir eine Zahl berechnen können, und wenn wir damit fertig sind, der Natur zuzusehen, wie sie ihre Tricks durchführt und die Zahl erneut berechnet, ist es dasselbe.

—  Die Feynman-Vorlesungen über Physik

Die meisten Energiearten (mit Ausnahme der Gravitationsenergie) unterliegen ebenfalls strengen lokalen Erhaltungssätzen. In diesem Fall kann Energie nur zwischen benachbarten Raumregionen ausgetauscht werden, und alle Beobachter sind sich über die volumetrische Energiedichte in einem gegebenen Raum einig. Es gibt auch ein globales Energieerhaltungsgesetz, das besagt, dass sich die Gesamtenergie des Universums nicht ändern kann; dies ist eine Folge des lokalen Rechts, aber nicht umgekehrt.

Dieses Gesetz ist ein Grundprinzip der Physik. Wie der Satz von Noether streng zeigt , ist die Energieerhaltung eine mathematische Folge der Translationssymmetrie der Zeit, eine Eigenschaft der meisten Phänomene unterhalb der kosmischen Skala, die sie unabhängig von ihrer Position auf der Zeitkoordinate macht. Anders ausgedrückt: Gestern, Heute und Morgen sind physikalisch nicht zu unterscheiden. Dies liegt daran, dass Energie die zur Zeit kanonisch konjugierte Größe ist . Aus dieser mathematischen Verschränkung von Energie und Zeit ergibt sich auch die Unschärferelation – es ist unmöglich, die genaue Energiemenge in einem bestimmten Zeitintervall zu bestimmen. Das Unsicherheitsprinzip ist nicht mit der Energieerhaltung zu verwechseln – es liefert vielmehr mathematische Grenzen, bis zu denen Energie prinzipiell definiert und gemessen werden kann.

Jede der Grundkräfte der Natur mit einer anderen Art von potentieller Energie verbunden ist , und alle Arten von potentieller Energie (wie alle anderen Energieart) erscheinen als Systemmasse , wann immer vorhanden. Beispielsweise ist eine komprimierte Feder etwas massiver als vor dem Zusammendrücken. Ebenso wird immer dann, wenn Energie durch einen beliebigen Mechanismus zwischen Systemen übertragen wird, eine zugehörige Masse mit übertragen.

In der Quantenmechanik wird Energie mit dem Hamilton-Operator ausgedrückt . Auf allen Zeitskalen beträgt die Unsicherheit der Energie um

${\displaystyle \Updelta E\Updelta t\geq {\frac {\hbar}{2}}}$

die in ihrer Form dem Heisenbergschen Unschärfeprinzip ähnlich ist (aber mathematisch nicht wirklich äquivalent dazu, da H und t keine dynamisch konjugierten Variablen sind, weder in der klassischen noch in der Quantenmechanik).

In der Teilchenphysik erlaubt diese Ungleichung ein qualitatives Verständnis virtueller Teilchen , die Impuls tragen . Der Austausch virtueller Teilchen mit realen Teilchen ist für die Entstehung aller bekannten fundamentalen Kräfte (genauer bekannt als fundamentale Wechselwirkungen ) verantwortlich. Virtuelle Photonen sind auch verantwortlich für die elektrostatische Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen (was zum Coulomb-Gesetz führt ), für den spontanen Strahlungszerfall angeregter Atom- und Kernzustände, für die Casimir-Kraft , für die Van-der-Waals-Kraft und einige andere beobachtbare Phänomene.

Energieübertragung

Geschlossene Systeme

Die Energieübertragung kann für den Sonderfall von Systemen in Betracht gezogen werden, die für Stoffübertragungen geschlossen sind . Der Anteil der Energie, der durch konservative Kräfte über eine Distanz übertragen wird, wird als die Arbeit gemessen, die das Quellsystem auf das Empfangssystem verrichtet. Der Teil der Energie, der bei der Übertragung keine Arbeit verrichtet, wird als Wärme bezeichnet . Energie kann auf verschiedene Weise zwischen Systemen übertragen werden. Beispiele sind die Übertragung elektromagnetischer Energie über Photonen, physikalische Kollisionen, die kinetische Energie übertragen , und die leitende Übertragung von Wärmeenergie .

Energie wird strikt erhalten und wird, wo immer sie definiert werden kann, auch lokal gespeichert. In der Thermodynamik wird für geschlossene Systeme der Vorgang der Energieübertragung durch den ersten Hauptsatz beschrieben :

${\displaystyle \Delta {}E=W+Q}$

( 1 )

wobei ist die übertragene Energiemenge,   repräsentiert die am oder vom System geleistete Arbeit und repräsentiert den Wärmefluss in das oder aus dem System. Zur Vereinfachung kann der Wärmeterm , , manchmal vernachlässigt werden, insbesondere bei schnellen Prozessen mit Gasen, die schlechte Wärmeleiter sind, oder wenn der thermische Wirkungsgrad der Übertragung hoch ist. Für solche adiabatische Prozesse , ${\displaystyle E}$${\displaystyle W}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle Q}$

${\displaystyle \Delta {}E=W}$

( 2 )

Diese vereinfachte Gleichung wird beispielsweise verwendet, um das Joule zu definieren .

Offene Systeme

Jenseits der Beschränkungen geschlossener Systeme können offene Systeme in Verbindung mit der Stoffübertragung Energie gewinnen oder verlieren (beide Prozesse werden durch das Betanken eines Autos veranschaulicht, ein System, das dadurch Energie gewinnt, ohne dass weder Arbeit noch Wärme hinzugefügt werden). Bezeichnet man diese Energie mit , kann man schreiben ${\displaystyle E_{Materie}}$

${\displaystyle \Delta {}E=W+Q+E_{Materie}.}$

( 3 )

Thermodynamik

Innere Energie

Innere Energie ist die Summe aller mikroskopischen Energieformen eines Systems. Es ist die Energie, die benötigt wird, um das System zu erstellen. Sie hängt mit der potentiellen Energie, zB der Molekülstruktur, der Kristallstruktur und anderen geometrischen Aspekten, sowie der Bewegung der Teilchen in Form von kinetischer Energie zusammen. Die Thermodynamik beschäftigt sich hauptsächlich mit Änderungen der inneren Energie und nicht mit ihrem absoluten Wert, der mit Thermodynamik allein nicht zu bestimmen ist.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtenergie von System und Umgebung (aber nicht unbedingt thermodynamische freie Energie ) immer erhalten bleibt und dass der Wärmefluss eine Form der Energieübertragung ist. Für homogene Systeme, mit einer gut definierten Temperatur und Druck, eine häufig verwendete logische Folge des ersten Gesetzes ist , dass für ein System unterliegt nur Druckkräfte und die Wärmeübertragung (beispielsweise ein zylinder voller Gas) ohne chemische Veränderungen, die Differential Änderung der inneren Energie des Systems (mit einer Verstärkung in Energie , die durch eine positive Menge bezeichnet) ist gegeben als

${\displaystyle \mathrm {d} E=T\mathrm {d} SP\mathrm {d} V\,}$,

wobei der erste Term rechts die in das System übertragene Wärme ist, ausgedrückt in Temperatur T und Entropie S (wobei die Entropie zunimmt und die Änderung d S positiv ist, wenn das System erwärmt wird), und der letzte Term rechts Handseite wird als am System verrichtete Arbeit identifiziert, wobei der Druck P und das Volumen V ist (das negative Vorzeichen ergibt sich, da die Kompression des Systems Arbeit erfordert und daher die Volumenänderung d V negativ ist, wenn die Arbeit verrichtet ist auf dem System).

Diese Gleichung ist sehr spezifisch und ignoriert alle chemischen, elektrischen, nuklearen und Gravitationskräfte, Effekte wie die Advektion jeglicher Form von Energie außer Wärme und pV-Arbeit. Die allgemeine Formulierung des ersten Hauptsatzes (dh Energieerhaltung) gilt auch in Situationen, in denen das System nicht homogen ist. Für diese Fälle wird die Änderung der inneren Energie eines geschlossenen Systems in allgemeiner Form ausgedrückt durch

${\displaystyle \mathrm {d} E=\delta Q+\delta W}$

Wo ist die dem System zugeführte Wärme und die auf das System aufgebrachte Arbeit. ${\displaystyle \delta Q}$${\displaystyle \delta W}$

Energiegleichverteilung

Die Energie eines mechanischen harmonischen Oszillators (eine Masse auf einer Feder) ist abwechselnd kinetische und potentielle Energie . An zwei Punkten des Schwingungszyklus ist es vollständig kinetisch und an zwei Punkten ist es vollständig potentiell. Über einen ganzen Zyklus oder über viele Zyklen wird die durchschnittliche Energie gleichmäßig zwischen kinetischer und potentieller Energie aufgeteilt. Dies ist ein Beispiel für das Gleichverteilungsprinzip : Die Gesamtenergie eines Systems mit vielen Freiheitsgraden wird gleichmäßig auf alle verfügbaren Freiheitsgrade aufgeteilt.

Dieses Prinzip ist von entscheidender Bedeutung, um das Verhalten einer eng mit der Energie verbundenen Größe, der sogenannten Entropie, zu verstehen . Entropie ist ein Maß für die Gleichmäßigkeit einer Verteilung von Energie zwischen Teilen eines Systems. Wenn einem isolierten System mehr Freiheitsgrade gegeben werden (dh bei gegebenen neuen verfügbaren Energiezuständen , die den bestehenden Zuständen entsprechen), dann verteilt sich die Gesamtenergie gleichmäßig über alle verfügbaren Grade, ohne zwischen "neuen" und "alten" Graden zu unterscheiden. Dieses mathematische Ergebnis wird zweiter Hauptsatz der Thermodynamik genannt . Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gilt nur für Systeme, die sich nahe oder im Gleichgewichtszustand befinden . Bei Nichtgleichgewichtssystemen sind die Gesetzmäßigkeiten des Verhaltens der Systeme noch umstritten. Eines der Leitprinzipien dieser Systeme ist das Prinzip der maximalen Entropieproduktion . Es besagt, dass sich Nichtgleichgewichtssysteme so verhalten, dass ihre Entropieproduktion maximiert wird.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Weiterlesen

Zeitschriften

• The Journal of Energy History / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE), 2018–

Externe Links

• Energie bei Curlie
• Unterschiede zwischen Wärme und Wärmeenergie – BioCab