Was sind die Energiegesetze?
Die Energiegesetze, die Wechselwirkungen zwischen Materie und Energie steuern, wie die Übertragung von Wärme von einem Körper auf einen anderen im physikalischen Universum, werden am grundlegendsten durch die drei Hauptsätze der Thermodynamik und Albert Einsteins Entdeckung seiner speziellen und allgemeinen Relativitätstheorien definiert . Die Physik selbst baut auf diesen Gesetzen sowie den drei von Isaac Newton definierten und erstmals 1687 veröffentlichten Bewegungsgesetzen auf, die das Zusammenspiel aller Materie erklären. Das Gebiet der Quantenmechanik, das sich im frühen 20. Jahrhundert abzeichnete, verdeutlichte auch die besonderen Umstände der Energiegesetze auf subatomarer Ebene, auf denen ein Großteil der modernen Zivilisation seit 2011 beruht.
Eines der Grundprinzipien der Energiegesetze, die im ersten Hauptsatz der Thermodynamik verdeutlicht werden, ist, dass Energie weder erzeugt noch zerstört wird. Alle Energieformen, wie Licht- oder Schallenergie, können in andere Formen umgewandelt werden. Dies wurde Mitte des 19. Jahrhunderts durch die Arbeit von James Joule, einem wegweisenden englischen Physiker, offenbart, nach dem die Grundeinheit der Energie, das Joule, lautete genannt. Nach zehn Jahren des Nachdenkens über die Natur der Beziehung zwischen Materie und Energie veröffentlichte Albert Einstein 1905 seine berühmte Formel von E = MC 2 , die besagte, dass sowohl Materie als auch Energie Versionen desselben Dings waren und sich ineinander verwandeln ließen auch. Da die Gleichung besagt, dass Energie (E) gleich Masse (M) mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat (C 2 ) ist, heißt es eigentlich, dass Sie, wenn Sie genug Energie hätten, diese in Masse umwandeln könnten und wenn Sie Masse beschleunigten Genug, man könnte es in Energie umwandeln.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik definierte die Energiegesetze, indem er feststellte, dass bei jeder Aktivität, bei der Energie verwendet wurde, ihr Potenzial abnahm oder sie für weitere Arbeiten immer weniger zur Verfügung stand. Dies spiegelte das Prinzip der Entropie wider und erklärte, wohin Energie fließt, wenn Wärme oder Licht in die Umgebung entweicht, was die Menschheit seit Jahrhunderten verwirrt hat. Entropie ist die Idee, dass hohe Konzentrationen an konzentrierter Energie, wie sie beispielsweise im Brennstoff vor dessen Verbrennung enthalten sind, sich schließlich als Abwärme in den Weltraum ausbreiten und nicht zurückgewonnen werden können. Es stimmte mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik überein, da die Energie nicht zerstört wurde, sondern der Zugang dazu verloren ging.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik wurde 1906 durch Untersuchungen des deutschen Chemikers Walther Nernst geklärt. Es zeigte sich, dass es unmöglich ist, eine Region des Raums oder der Materie zu schaffen, in der keine Energie vorhanden ist, die die Region auf die niedrigstmögliche Temperatur des absoluten Nullpunkts abkühlen würde. Dies unterstützte das erste und zweite Hauptsatz der Thermodynamik dahingehend, dass Energie immer in einem gewissen Maße im Raum oder in der Materie verfügbar war, auch wenn sie nicht für nützliche Arbeiten genutzt werden konnte.
Einsteins Aktualisierungen unseres Verständnisses der Energiegesetze ermöglichten viele moderne Technologien, wie zum Beispiel die Kernenergie. Außerdem zeigten Newtons Bewegungsgesetze Wissenschaftlern und Ingenieuren, wie sie die Beziehung zwischen Materie und Energie nutzen können, um die Kraft und Flugbahn zu erzeugen, die erforderlich ist, um Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen oder Raumsonden auf nahegelegene Planeten zu schicken. Die Quantenmechanik hat dazu beigetragen, zu verstehen, wie Energie verwendet und übertragen wird, um Technologien wie Laser, Transistoren, die die Grundlage aller Computersysteme bilden, und fortschrittliche medizinische Geräte wie die Magnetresonanztomographie (MRT) herzustellen.