Energie in der Physik: Ein Überblick

Der Begriff der Energie in der Physik

In der Physik besagt das universelle Gesetz der Energieerhaltung, welches die Grundlage für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik bildet, dass die Energie eines geschlossenen Systems über die Zeit konstant bleibt. Die spezielle Relativitätstheorie stellt jedoch eine Äquivalenz zwischen Masse und Energie her, wodurch alle materiellen Körper Energie enthalten. Zusätzlich können Körper weitere Energie besitzen, die konzeptionell nach verschiedenen Typen unterteilt wird, z.B.:

• Kinetische Energie: Energie aufgrund von Bewegung.
• Chemische Energie: Energie aufgrund der chemischen Zusammensetzung.
• Potentielle Energie: Energie aufgrund von Position oder Deformation in Bezug auf wirkende Kräfte.
• Thermische Energie: Energie aufgrund des thermodynamischen Zustands.

Energie ist kein realer physikalischer Zustand, sondern eine skalare Größe, die einem physikalischen System zugeordnet wird. Sie ist ein mathematisches Abstraktionswerkzeug, das den Zustand des Systems beschreibt. Beispielsweise hat ein ruhendes System eine kinetische Energie von Null. Die Verwendung von skalaren Größen wie der Energie vereinfacht die Arbeit im Vergleich zu Vektorgrößen wie Geschwindigkeit oder Position. In der Mechanik kann die Dynamik eines Systems vollständig durch kinetische und potentielle Energie beschrieben werden. Die mechanische Energie ist in der Newtonschen Mechanik eine zeitlich erhaltene Größe.

Mathematisch ist die Erhaltung der Energie eines Systems eine direkte Folge der Tatsache, dass die Entwicklungsgleichungen des Systems unabhängig vom betrachteten Zeitpunkt sind (Noether-Theorem).

Energie in verschiedenen physikalischen Systemen

Energie ist eine physikalische Größe, die in verschiedenen Formen auftritt und an allen Prozessen der Zustandsänderung beteiligt ist. Sie kann transformiert und übertragen werden, hängt vom Bezugsrahmen ab und ist erhalten^[1]. Jeder Körper kann aufgrund seiner Bewegung, chemischen Zusammensetzung, Position, Temperatur, Masse und anderer Eigenschaften Energie besitzen. In verschiedenen Disziplinen der Physik gibt es unterschiedliche, aber konsistente Definitionen von Energie.

Klassische Physik

In der Mechanik gibt es:

• Mechanische Energie: Die Summe aus:
  • Kinetische Energie: Energie der Bewegung.
  • Potentielle Energie: Energie der Lage in einem konservativen Kraftfeld (z.B. Gravitations- oder elastische potentielle Energie).
  • Wellen übertragen Energie durch die Bewegung eines elastischen Mediums.

Im Elektromagnetismus gibt es:

• Elektromagnetische Energie: Bestehend aus:
  • Strahlungsenergie: Energie elektromagnetischer Wellen.
  • Chemische Energie: Energie, die bei chemischen Reaktionen (z.B. Oxidation) freigesetzt wird.
  • Elektrische potentielle Energie: Energie aufgrund eines elektrischen Potentials.
  • Elektrische Energie: Energie aufgrund einer Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten.

In der Thermodynamik gibt es:

• Innere Energie: Die Summe der mechanischen Energie der Teilchen eines Systems.
• Thermische Energie: Energie, die als Wärme abgegeben wird, z.B. aus geothermischen Quellen oder Verbrennungsprozessen.