Wie wird in einem geschlossenen System Energie gespart?

Der Energieerhaltungssatz ist ein wichtiges Gesetz der Physik. Grundsätzlich besagt es, dass sich Energie zwar von einer Art in eine andere verwandeln kann, sich die Gesamtenergiemenge jedoch nicht ändert. Dieses Gesetz gilt nur für geschlossene Systeme, also Systeme, die keine Energie mit ihrer Umgebung austauschen können. Das Universum zum Beispiel ist ein geschlossenes System, während eine Kaffeetasse, die langsam auf einer Arbeitsplatte abkühlt, es nicht ist.

Wenn ein System mit seiner Umgebung Energie austauschen kann, ist es kein geschlossenes System und die Energieerhaltung gilt nicht. Die Erde zum Beispiel ist kein geschlossenes System, da sie sowohl Wärme von der Sonne aufnehmen als auch Wärme in den Weltraum abstrahlen kann. Da es sich um ein offenes System handelt, kann sich seine Gesamtenergie ändern. Das Universum als Ganzes ist ein geschlossenes System, da es unseres Wissens nicht mit anderen Systemen oder Universen in Kontakt steht. Folglich bleibt die Gesamtenergie des Universums unverändert.

Energie kann viele verschiedene Formen annehmen. Ein sich bewegendes Objekt hat beispielsweise kinetische Energie oder Bewegungsenergie. Ein hoch über dem Boden angehobenes Objekt hat potentielle Gravitationsenergie, weil die Schwerkraft das Objekt anzieht und es dazu bringt, zu "fallen". Licht der Sonne ist Energie in Form von Strahlung. Die Moleküle in Ihrer Nahrung haben chemische potentielle Energie, die Sie durch die Verdauung extrahieren können, und Ihr Körper hat Energie in der offensichtlichsten Form von allen – Wärme.

Im Universum als Ganzes wird Energie niemals zerstört – sie ändert nur ihre Form. Beim Fallen eines Gesteins wird beispielsweise das durch seine Höhe vorhandene Gravitationspotential in kinetische Energie umgewandelt, und wenn es auf den Boden auftrifft, wird diese kinetische Energie in Wärme umgewandelt. Pflanzen nehmen Strahlung auf und wandeln die darin enthaltene Energie in chemische potentielle Energie um, die Sie wiederum beim Essen Ihrer Nahrung extrahieren. Ein Kraftwerk nutzt die chemische potentielle Energie aus Kohle und wandelt sie in elektrische Energie um. In all diesen Szenarien verändert Energie nur ihre Formen.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist eine andere Möglichkeit, den Energieerhaltungssatz zu formulieren. Es besagt, dass für jedes System die Änderung seiner Gesamtenergie gleich der Menge an Arbeit ist, die es verrichtet, abzüglich der Menge an Energie, die als Wärme auf es übertragen wird. Dies ist nur eine andere Möglichkeit, dieselbe Idee zu erklären, da die Energie des Systems konstant bleibt, es sei denn, es erhält Energie in Form von Arbeit oder Wärme.