Grundlagen der Energie: Systeme, Formen und Erhaltung

Systeme, Materialien und Dimensionen

Definition von System und Material

Ein System ist eine organisierte Gruppe von Elementen, die miteinander in Wechselwirkung stehen, eine Energiequelle nutzen können und dem System selbst globale Eigenschaften oder Merkmale verleihen. Ein Material ist ein isolierter und identifizierter Teil des Universums, den wir betrachten.

Dimensionen der Materie

Die Dimensionen der Dinge reichen von der globalen Skala des Universums bis hin zu submikroskopischen Teilchen, aus denen Materie besteht. In der Astronomie werden typischerweise vier Beobachtungsskalen unterschieden:

• Global (10²¹)
• Makroskopisch (10⁰)
• Mikroskopisch (10^-4)
• Submikroskopisch (10^-14)

1. Energie in Systemen und Materialien

1.1. Energie und ihre Fähigkeit zur Veränderung

Energie ist die Fähigkeit von Materialsystemen, Veränderungen zu bewirken, Wechselwirkungen zwischen Elementen zu erzeugen oder diese Veränderungen zu verursachen.

Arten von Veränderungen

Die Veränderungen umfassen:

• Physische Veränderungen: Diese können verschiedene Typen umfassen:
  • Position: Materielle Objekte können ihren Ort ändern.
  • Form: Durch Anwendung einer Kraft kann ein Objekt seine Form ändern.
  • Zustand: Energie verursacht Zustandsänderungen der Materie (fest, flüssig und gasförmig).
• Chemische Veränderungen: Einige Substanzen (Reagenzien) werden durch chemische Reaktionen in andere Produkte umgewandelt. Zum Beispiel reagiert Eisen mit Sauerstoff zu Eisenoxid.
• Geologische Veränderungen: Diese können sehr langsam ablaufen (wie Erosion und Gebirgsbildung) oder in einem kurzen Zeitraum (wie Vulkanausbrüche oder Wetterwechsel).
• Biologische Veränderungen: Einige finden während der Lebensdauer von Organismen statt, wie das Wachstum und die Entwicklung eines Embryos. Andere, wie die Evolution der Lebewesen, dauern sehr lange.

2. Manifestationsformen der Energie

Energie hat viele Formen und wird unterschiedlich benannt, abhängig von den Aktionen und den Veränderungen, die sie verursacht, oder den Phänomenen, denen sie zugeordnet ist.

Alle diese Energieformen, die sich in der Realität manifestieren, sind Ausdruck der kinetischen Energie oder der potenziellen Energie (die zusammen die mechanische Energie bilden). Energie wird in Joule gemessen und mit dem Buchstaben J dargestellt. Die Manifestationen können wie folgt sein:

2.1. Spezifische Energieformen

• Innere Energie: Steht im Zusammenhang mit der Bewegung (Agitation) aller Partikel in Körpern und manifestiert sich durch die Temperatur: Je heißer der Körper, desto größer die Bewegung und die Temperatur.
• Elektrische Energie (Strom): Steht im Zusammenhang mit Elektrizität und tritt auf, wenn sich Elektronen durch einen Stromkreis bewegen, an dessen Enden eine Potenzialdifferenz besteht.
• Thermische Energie (Wärme): Steht im Zusammenhang mit Wärme und ist die Energiemenge, die von einem heißen zu einem kälteren Objekt übertragen wird.
• Chemische Energie: Steht im Zusammenhang mit in Chemikalien gespeicherter Energie. Sie zeigt sich bei einigen chemischen Reaktionen wie der Oxidation.
• Elektromagnetische Energie: Steht im Zusammenhang mit Wellen, die sich in Form von elektromagnetischer Strahlung ausbreiten. Belegt durch Licht, Infrarotstrahlung usw.
• Kernenergie: Steht im Zusammenhang mit der Umwandlung von Atomkernen durch Kernspaltung oder Kernfusion. Sie tritt auf, wenn Materie in Energie umgewandelt wird.

1.2. Energie und Leistung (Power in Aktion)

Alle materiellen Systeme haben etwas gemeinsam: Energie. All diese Energieformen helfen uns, ihre Bedeutung zu verstehen. Wenn Wissenschaftler jedoch von Leistung (Power) sprechen, meinen sie etwas Konkreteres. Dies ist eine der physikalischen Bedeutungen von Leistung: die Fähigkeit, Kraft auszuüben und eine Aktion zu erzeugen oder etwas zu verändern. Wenn Energie bewegt oder von einem Körper auf einen anderen übertragen wird, wird Arbeit verrichtet.

Energie ist die Fähigkeit von Materie, Arbeit zu verrichten. Arbeit bedeutet, dass eine Kraft auf ein Objekt ausgeübt wird und dieses Objekt von einer Position zur anderen bewegt wird.

Die Dimensionen der Objekte reichen vom submikroskopischen über den mikroskopischen und makroskopischen bis hin zum astronomischen Maßstab.

2.2. Kinetische und Potentielle Energie

Kinetische Energie (Bewegungsenergie)

Kinetische Energie ist die Energie, die ein sich bewegender Körper besitzt. Sie hängt von der Masse des bewegten Objekts und seiner Geschwindigkeit (Tempo) ab.

Potentielle Energie (Gespeicherte Energie)

Die potentielle Energie ist eine Art gespeicherter Energie, die darauf "wartet", eine Aktion auszuführen. Sie steht im Zusammenhang mit der Masse der Körper und ihrer Position: Höhe, Kompression usw.

3. Energieumwandlung und Erhaltung

Die Energie, die für eine Aktion benötigt wird, wird nicht aus dem Nichts erschaffen, sondern stammt immer von einer anderen Energieform, die eine Transformation durchläuft. Dabei zeigen sich die verschiedenen Energieformen und ihre Veränderungen.

3.1. Der Energieerhaltungssatz

Nach dem Prinzip der Energieerhaltung kann die Gesamtenergie bei jeder Energieumwandlung nie verschwinden oder am Ende mehr oder weniger Energie vorhanden sein, als ursprünglich vorhanden war.

Das Prinzip der Energieerhaltung besagt, dass Energie weder geschaffen noch zerstört, sondern nur umgewandelt werden kann. Wenn Energie in eine andere Form umgewandelt wird, bleibt die Gesamtenergie nach der Transformation dieselbe wie zuvor; sie ist konstant.

Bei Energieumwandlungen gibt es keinen Verlust an Energie, aber es bleibt nur die Quantität und nicht die Qualität erhalten. Nach der Transformation wird Energie degradiert, sie verliert an Qualität und kann weniger Arbeit verrichten. Maschinen nutzen nur einen Teil der Energie, die sie erhalten, da ein Teil in Geräusche und Wärme umgewandelt wird.

3.2. Energieübertragung und -verteilung

Wenn Wasser in einem Topf kocht, wird es heiß, weil Wärme vom Feuer übertragen wird. Dinge können auch durch Hitzewellen, sogenannte Mikrowellen, erhitzt werden. Es gibt eine weitere Möglichkeit der Energieübertragung von einem Körper zum anderen: wenn Arbeit verrichtet wird.

Energie wird von der Position eines Körpers zur anderen oder von einem Körper zum anderen in Form von Hitzewellen (Wärme) oder Arbeit übertragen oder verteilt.