Energieerhaltung
1847
- Émilie du Châtelet
- Julius Robert von Mayer
- James Prescott Joule
- Hermann von Helmholtz
Ein fundamentales Prinzip besagt, dass die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems über die Zeit konstant bleibt. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden, beispielsweise von potenzieller in kinetische Energie. In der klassischen Energietheorie… mechanicsBei Systemen mit ausschließlich konservativen Kräften bleibt die gesamte mechanische Energie [latex]E = T + V[/latex] erhalten.
Der Energieerhaltungssatz ist eines der grundlegendsten und universellsten Prinzipien der gesamten Wissenschaft. Seine Entwicklung erstreckte sich über Jahrhunderte und entwickelte sich von frühen Ideen zur Bewegung zu einer präzisen mathematischen Aussage im 19. Jahrhundert, die Mechanik, Wärme und Chemie vereinte.
Im Kontext der klassischen Mechanik wird dieses Prinzip am deutlichsten in Systemen sichtbar, die ausschließlich konservativen Kräften wie der Gravitation oder der Kraft einer idealen Feder unterliegen. Eine Kraft ist konservativ, wenn die von ihr an einem Objekt verrichtete Arbeit, das sich zwischen zwei Punkten bewegt, unabhängig vom zurückgelegten Weg ist. Für solche Kräfte lässt sich eine potenzielle Energiefunktion ΔV definieren. Der Arbeit-Energie-Satz besagt, dass die an einem Objekt verrichtete Arbeit gleich der Änderung seiner kinetischen Energie ist: Wnet = ΔT. Bei konservativen Kräften kann diese Arbeit als negative Änderung der potenziellen Energie ausgedrückt werden: Wcons = -ΔV. Daraus folgt ΔT = -ΔV oder ΔT + ΔV = Δ(T+V) = 0. Dies zeigt, dass die gesamte mechanische Energie, [latex]E = T + V[/latex], eine Bewegungskonstante ist.
Bei nicht-konservativen Kräften wie Reibung bleibt mechanische Energie nicht erhalten; sie wird typischerweise als Wärme abgegeben. Die Gesamtenergie des isolierten Systems, einschließlich dieser thermischen Energie, bleibt jedoch erhalten. Dieses umfassendere Prinzip ist der Erste Hauptsatz der Thermodynamik.
Im 20. Jahrhundert lieferte Emmy Noethers Theorem ein tieferes Verständnis dieses Gesetzes. Es zeigte, dass die Energieerhaltung eine direkte mathematische Folge einer fundamentalen Symmetrie des Universums ist: der Tatsache, dass sich die Gesetze der Physik im Laufe der Zeit nicht ändern (Zeitinvarianz).
UNESCO Nomenclature: 2211
- Physik
Typ
Physikalisches Gesetz
Verwendung
Weitverbreitete Verwendung
Vorläufer
- Vis viva-Konzept (Gottfried Leibniz)
- Studien zu Wärme und Arbeit (Sadi Carnot, Émile Clapeyron)
- Newtonsche Mechanik
- Galileis Experimente mit Pendeln
Anwendungen
- Stromerzeugung (Wasserkraftwerke, Wärmekraftwerke)
- Thermodynamik und Motorkonstruktion
- Analyse chemischer Reaktionen (Enthalpie)
- Achterbahn-Design
- Stoffwechselprozesse in der Biologie verstehen
Potenzielle Innovationsideen
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Verwandt mit: Energieerhaltung, kinetische Energie, potenzielle Energie, Arbeit-Energie-Theorem, Thermodynamik, isoliertes System, Noether'sches Theorem, konservative Kraft.