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Energieerhaltung

Eine der grundlegendsten Erkenntnisse der Physik ist der Energieerhaltungssatz. Er besagt, dass Energie nicht verschwinden oder aus dem Nichts entstehen kann; es kann lediglich Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Dies führt dazu, dass die Gesamtmenge von Energie in einem geschlossenen System (welches definitionsgemäß keine Energie mit der Umgebung austauscht) erhalten bleibt, d. h. sich nie ändern kann. Die Gesamtenergie ist dort also eine Erhaltungsgröße. Bei einem offenen System dagegen entspricht die Zunahme der Gesamtenergie der Differenz der von außen zuströmenden und der nach außen abfließenden Energie.

Energieverluste kann es demnach nur in dem Sinne geben, dass Energie entweder einem offenen System entweicht, oder dass sie zum Teil unerwünscht in eine andere, nicht nutzbare Energieform umgewandelt wird.

In der Thermodynamik gilt der Energieerhaltungssatz als der erste Hauptsatz. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bringt zusätzliche Einschränkungen: Auch solche Prozesse, die zwar die Gesamtmenge an Energie erhalten, aber zu einer insgesamt sinkenden Entropie führen würden, sind physikalisch nicht möglich.

Anwendungen des Energieerhaltungssatzes

Das Prinzip der Energieerhaltung ist oft sehr nützlich für das Verständnis physikalischer Prozesse und für entsprechende Berechnungen. Einige Beispiele:

• Eine Kältemaschine entzieht einem Medium Wärme. Diese kann aber nicht einfach verschwinden; sie wird anderswo als Abwärme abgegeben. Auch die Antriebsenergie der Kältemaschine muss vollständig als Wärme enden, da es keine andere Möglichkeit gäbe, die Gesamtenergie zu erhalten. Allenfalls könnte ein kleiner Teil der Energie in Form von Schall entweichen; dies macht jedoch in der Praxis sehr wenig aus.
• Ein Gebäude ist kein geschlossenes System, da ihm im Winter Wärme von außen zugeführt wird und andererseits Wärme entweicht (Transmissionswärmeverluste und Lüftungsverluste). Da Wärme hier kaum in anderen Energieformen umgewandelt werden kann, muss die im zeitlichen Mittel zugeführte Wärmemenge auf Dauer genau der entweichenden Wärmemenge entsprechen. Wenn also der Wärmeverlust pro Tag um z. B. eine Kilowattstunde vermindert wird, kann die Zufuhr von Heizwärme um genau diesen Betrag reduziert werden.
• Wenn ein Pumpspeicherkraftwerk eine bestimmte Wassermenge in das obere Reservoir pumpt und später dieselbe Wassermenge "turbiniert" (d. h. zur Stromerzeugung in einer Turbine nutzt), ist die Lageenergie des Wassers am Ende gleich wie vorher (unter Annahme, dass das Wasser am gleichen Ort landet, wo es entnommen wurde). Die Energieerhaltung besagt dann, dass die beim Turbinieren gewonnene Energiemenge gleich der zum Pumpen aufgewandten abzüglich aller Energieverluste z. B. in Pumpe, Turbine und Motor/Generator ist.

Der Energieerhaltungssatz schließt auch die Möglichkeit eines Perpetuum Mobile erster Art aus.

Siehe auch: Energie, Hauptsätze der Thermodynamik, Energieverbrauch, Energieverlust, Perpetuum Mobile