Energieerhaltungssatz

Energie kann weder entstehen noch verschwinden

Basiswissen

Die meisten Wissenschaftler gehen davon aus dass Energie weder aus dem Nichts entstehen kann noch ins Nichts verschwindet. Das heißt, dass die gesamte Energie in unserem Universum immer gleich groß bleibt. Energie kann seine Formen ändern. Aber in einem abgeschlossenen System kann niemals Energie dazukommen oder weggehen. Hier stehen einige typische Anwendungsfälle zum Energieerhaltungssatz.

Die Stoßgesetze

Wenn sich zwei Körper aufeinander zubewegen und zusammenprallen, dann können sie anschließend aneinander heften bleiben (z. B. Planetenkollision) oder sie können wieder voneinander abprallen (z. B. Billardkugeln). Auf jeden Fall bleibt die Gesamtenergie erhalten. Geht kinetische Energie verloren (etwa in Form von Hitze), spricht man von einem plastischen Stoß. Geht keinerlei kinetische Energie verloren, nennt man des Stoß elastisch. Beides ist näher erklärt auf der Übersicht der Stoßgesetze ↗

Die Aufprallprallgeschwindigkeit

Lässt man einen Körper aus einer bekannten Höhe über der Erdoberfläche herunterfallen, etwas aus 5 Metern, dann hat der Körper seine vorherige Höhenergie (potentielle Energie) bis zum Moment des Aufpralls vollständig umgewandelt in Bewegungsenergie (kinetische Energie). Über ein Gleichsetzen der Terme m·g·h (Höhenenergie) und ½mv² (Bewegungsenergie) kann man nach kürzen der Masse m und umstellen nach v die Geschwindigkeit beim Aufprall berechnen. Auch hier ging keine Energie verloren, sondern es wurde nur die Form umgewandelt. Siehe mehr dazu unter Aufprallgeschwindigkeit ↗

Fußnoten

[1] Max Planck: Das Princip von der Erhaltung der Energie. B.G. Teubner, Leipzig 1887.

[2] Sehr anschaulich wird der Energieerhaltungssatz in einem Lexikon aus dem Jahr 1904 beschrieben: "Das Gesetz der Constanz der Energie hat seine Vorläufer in dem Gesetz der Erhaltung der Materie (Bewegung) und der Kraft. ARISTOTELES spricht von einer Erhaltung des Ganzen bei Veränderung der Teile (oite aei ta auta merê diamenei, oute gês oute thalattês, alla monon ho pas onkos, Meteor. II 3 358 b 29). TELESIUS schreibt der Materie einen Erhaltungstrieb zu, vermöge dessen die Masse unverändert bleibt (vgl. LASSWITZ, Gesch. d. Atom I, 331). Nach DESCARTES bleibt die Bewegungsgröße (m v) constant (s. Bewegung). HUYGHENS lehrt in mathematischer Weise die Erhaltung der lebendigen Kraft im Universum (Horolog. oscillatorium IV, hyp. I, II). So auch LEIBNIZ: »... il se conserve non seulement la même quantité de la force mouvante, mais encore la même quantité de direction vers quel coté qu'on le prenne dans le monde« (Erdm. p. 133; vgl. p. 108, 429 f., 520, 645, 702, 711, 723) und D'ALEMBERT (Traité de dynam. 1743, p. 109). KANT erklärt: »Quantitas realitatis absolutae in mundo naturaliter non mutatur, nec augescendo nec decrescendo« (Cogn. phil. nov. diluc. sct. II, prop. X). Wissenschaftlich exact begründet wird das Gesetz der Constanz der Energie[265] (Kraft) von JOULE, R. MAYER, HELMHOLTZ. Nach R. MAYER gibt es »nur eine Kraft. Im ewigen Wechsel kreist dieselbe in der toten wie in der lebenden Natur«. Die Kraft ist »unzerstörlich«. Eine Äquivalenz in den Wechselwirkungen der Kräfte besteht (Bemerkung. üb. die Kräfte der unbelebten Natur, in Liebigs Annalen der Chemie 1842; Die organ. Bewegung... 1845; vgl. Sigwart-Festschrift S. 159 ff.). Nach HELMHOLTZ kann lebendige Kraft eine ebenso große Menge Arbeit wiedererzeugen, wie die, aus der sie entstanden war (Vorträge u. Red. I4, S. 33 f.). Das Energieprincip besagt, daß »das Naturganze einen Vorrat wirkungsfähiger Kraft besitzt, welcher in keiner Weise weder vermehrt noch vermindert werden kann, daß also die Quantität der wirkungsfähigen Kraft in der unorganischen Natur ebenso ewig und unveränderlich ist, wie die Quantität der Materie« (l.c. S. 41). Die Quantität der Gesamtkraft in der Natur ist unveränderlich (l.c. S. 152). »Alle Veränderung in der Natur besteht darin, daß die Arbeitskraft ihre Form und ihren Ort wechselt, ohne daß ihre Quantität verändert wird. Das Weltall besitzt einfürallemal einen Schatz von Arbeitskraft, der durch keinen Wechsel der Erscheinungen verändert, vermehrt oder vermindert werden kann und der alle in ihm vorgehende Veränderung unterhält« (l.c. S. 187; vgl. I, 227, 380 ff.). Ähnlich O. LIEBMANN (Anal. d. Wirkl.2, S. 384 f.). FECHNER betont: »Nicht die Größe der eben vorhandenen lebendigen Kraft, aber die Größe der vorhandenen lebendigen Kraft zusammen mit der... potentiellen Kraft« ist für die Welt eine constante Größe (Elem. d. Psychophys. 1889, I, 32)." In: Eisler, Rudolf: Wörterbuch der philosophischen Begriffe, Band 1. Berlin 1904, S. 265-269. Online: http://www.zeno.org/nid/20001786563

[3] Max Planck verweist auf die Unbeweisbarkeit der Energieerhaltung: "Wir sagen, daß die Gesamtenergie eines nach außen abgeschlossenen Systems von Körpern eine Größe ist, deren Betrag durch keinerlei innerhalb des Systems sich abspielende Vorgänge vermehrt oder vermindet werden kann, und wir denken gar nicht mehr daran, die Genauigkeit, mit der dieser Satz gilt, abhängig zu machen von der Feinheit der Methoden, welche wir geegenwärtig besitzen, um die Frae der Realisierung eines Perpetuum mobile experiment zu prüfen." In: Die Einheit des physikalischen Weltbildes. Vortrag, gehalten am 9. Dezember 1908 in der naturwissenschaftlichen Fakultät des Studentenkorps an der Universität Leiden. Dort im Kapitel II. Tatsächlich sollte die Quantenphysik mit der erst Jahrzehnte später formulierten Unschärferelation von Zeit und Energie Plancks Ahnung bestätigen, dass bei ausreichender "Feinheit der Methode" durchaus eine Verletzung des Energieerhaltungsstzes beobachtet werden kann. Siehe dazu auch Unschärferelation ↗