Energieerhaltung

Energie ist nicht gleich Energie

Alle Welt redet vom Energiesparen: Wir sollen Geräte kaufen, die wenig Energie „verbrauchen“. Warum eigentlich? Sagt nicht die Physik, dass Energie gar nicht verloren gehen kann? Gibt es nicht den berühmten „Satz von der Erhaltung der Energie“, auch bekannt als „Erster Hauptsatz der Thermodynamik“?  Stimmt – und trotzdem müssen wir mit der Energie sparsam umgehen. Denn Energie ist nicht gleich Energie: Es kommt bei ihr sehr darauf an, in welcher Form sie vorliegt. Mit manchen Energieformen können wir etwas anfangen, mit anderen weniger oder gar nichts. Und Energie ist ja gerade deshalb für uns so wichtig, weil wir mit ihrer Hilfe Arbeit leisten können – zum Beispiel Auto fahren oder ein Haus beheizen.

Fülle an Formen

Es gibt also verschiedene Formen von Energie, die sich bei physikalischen Prozessen ineinander umwandeln. Wenn wir unser Haus heizen, verwandeln wir chemische Energie (zum Beispiel im Öl) in Wärmeenergie. Beim Autofahren setzt die chemische Energie des Kraftstoffs den Wagen in Bewegung (kinetische Energie). Fällt ein Apfel vom Baum, verwandelt sich seine Lageenergie (potenzielle Energie) in Bewegungsenergie. Prallt er auf dem Boden auf, erzeugt er dort eine kleine Delle und wird selbst etwas verformt. Dabei wird seine Bewegungsenergie wieder in Wärme verwandelt. Weitere Energieformen sind: elektromagnetische Energie (zum Beispiel Licht, Radiowellen) und Masse (das ist in Kernkraft- und Fusionskraftwerken wichtig). Den Zusammenhang von Masse m und Energie E beschreibt Einsteins berühmte Formel E=mc².

Qualität vor Quantität

Ist ein System „abgeschlossen“, also perfekt von seiner Umwelt abgeschottet, bleibt die Summe aller in ihm enthaltenen Energieformen konstant. Warum also Energie sparen? Weil die verschiedenen Energieformen sich in der Fähigkeit unterscheiden, Arbeit zu leisten.  Am Ende der meisten technischen Prozesse steht Wärme: Im Haus ist es mollig warm, und das Auto hat drei Viertel der Energie des Benzins in Verbrennungswärme gesteckt, die über Kühler und Abgase verloren geht. Mit dieser Wärmeenergie können wir technisch aber nichts mehr anfangen, weil sie bei der gleichen Temperatur vorliegt wie die Umgebung – Arbeit lässt sich mit Hilfe von Wärmeenergie aber nur dann leisten, wenn es eine Temperaturdifferenz gibt (zum Beispiel heißes Gas im Kraftwerks-Kessel gegenüber kaltem Kühlwasser).

Nur scheinbar paradox

Wir verbrauchen also keine Energie, sondern wandeln „brauchbare“ Energieformen in „unbrauchbare“ Energieformen um. Physiker sprechen von einer „Zunahme der Entropie“ und meinen damit, dass die Arbeitsfähigkeit der Energie geringer wurde: je höher die Entropie ist, desto schlechter für uns. Der „Zweite Hauptsatz der Thermodynamik“ sagt, dass die Entropie in einem abgeschlossenen System niemals abnimmt – aus unbrauchbarer Energie kann niemals wieder brauchbare Energie werden.  So löst sich das scheinbare Verbrauchs-Paradoxon auf: Die Energie bleibt zwar erhalten, aber ihre Entropie steigt und macht sie immer nutzloser für uns. Anders ausgedrückt: Wir verbrauchen keine Energie, sondern produzieren Entropie. Und das sollten wir möglichst sparsam tun, weil wir sonst unsere Lebensgrundlagen zerstören.