Wärmeleitung: Materieteilchen in ungeordneter Bewegung übertragen ihre Bewegung durch “Anschubsen” auf benachbarte Materie. Aus makroskopischer Sicht, also im Grossen und Ganzen betrachtet, entsteht so der Eindruck, die Wärme ‘fliesse’ von der wärmeren in die kältere Materie.
Wärmestrahlung: Sobald geladene Elementarteilchen (Elektronen, Protonen, Atomkerne, Ionen) sich bewegen, erzeugen sie elektromagnetische Strahlung. So entsteht bei der ungeordneten Bewegung in jeglicher Materie zwangsläufig Strahlung. An der Oberfläche eines Festkörpers, einer Flüssigkeit oder Gasmasse kann diese Strahlung austreten und nimmt die in ihr enthaltene Wärme mit sich. Wärmestrahlung ist übrigens nicht auf Infrarot-Licht beschränkt! Das Glühen eines heissen Stück Metalls ist auch eine Erscheinung von Wärmestrahlung, deren Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Bereich liegt.
Wo kommt die Energie her?
Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik, der Energieerhaltungssatz, besagt: Energie kann in einem geschlossenen System nicht erschaffen (oder vernichtet) werden. Demnach gibt es mich im wohl grössten geschlossenen System, das ihr kennt – eurem Universum, seit dieses grundlegende Naturgesetz gilt: schon (fast) immer. Ich bin so alt wie die Welt! Und die begann nach den gängigen Theorien der Kosmologie mit dem Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, dem ersten Moment nach der Anfangs-Singularität.
Eine Singularität ist für die Physiker ein besonderer Umstand, unter welchem die physikalischen Gesetze, wie ihr sie kennt, keine Gültigkeit haben. Das gilt auch für den Energie-Erhaltungssatz. Somit konnte ich in jener Singularität, welche die Physiker am Anfang des Universums annehmen, womöglich erschaffen werden. Wie ging das vor sich? Da sind die Physiker bis heute überfragt…und ich leider auch.
Die erste Energie des Universums – ab dem ersten Moment nach der Anfangssingularität, bis zu welchem die Physiker anhand ihrer Urknall-Theorie zurückrechnen können – ist in reiner Strahlung enthalten gewesen: Elektromagnetische Strahlen, oder besser Wellen (mehr zu elektromagnetischer Strahlung bzw. “Licht” gibt es hier) haben sich kreuz und quer durch den wachsenden Raum ausgebreitet. Erst nachdem das Universum nach den ersten Augenblicken seines Daseins ausreichend gross war um den dafür notwendigen Voraussetzungen zu entsprechen, ging durch meine ersten Umwandlungen aus der Strahlung Materie (und Antimaterie) hervor, die bis heute euer Universum formt.
Energie auf der Erde
Der spannendste Abschnitt meiner Reise durch das Universum ist der Aufenthalt auf der Erde: Hier bewege ich die Dinge auf vielfältigste Weise. Seit der Entstehung eures Planeten komme ich aus seinem Innersten, oder ich gelange mit der Strahlung der Sonne zu euch. Hier treffe ich auf Lebewesen, die dafür geschaffen sind, mich zu verändern. Da gehe ich rein, werde umgewandelt und komme in neuer Gestalt wieder raus.
So nutzen Pflanzen die Energie der Sonnenstrahlung um daraus chemische Energie zu gewinnen und diese im Zuge der Photosynthese in neuen Molekülen zu speichern. Andere Lebewesen, Tiere und ihr Menschen, nehmen die Pflanzen als Nahrung zu sich und gewinnen daraus Wärme, Bewegungsenergie und manches mehr.
Aber nicht nur eure Körper wandeln Energie. Ebenso seid ihr immer mehr versessen darauf, mich ausserhalb eurer Körper umzuwandeln. So baut ihr die fantastischsten Maschinen um Energie zu erzeugen. Dabei wisst ihr spätestens jetzt, dass ihr mich gar nicht erzeugen könnt. All eure Maschinen können mich einzig in die Gestalt zwingen, die ihr nutzen wollt. Und das ist heute in den meisten Fällen elektrische Energie.
Als elektrische Energie bin ich euch deshalb so lieb, weil ihr in dieser Form bequem Energie speichern und transportieren könnt. Dazu müsst ihr einzig in den getrennten Hälften eines tragbaren Gegenstands unterschiedliche elektrische Ladung sammeln. Dann habt ihr eine Batterie. Sobald ihr die Hälften später miteinander verbindet, fliesst entlang der Verbindung ein elektrischer Strom in dem Bestreben, den Ladungsunterschied auszugleichen. Und die Energie dieses Stroms pflegt ihr dann für die Erzeugung von Licht, Bewegung und vielem mehr zu nutzen.
Dabei beklagt ihr euch gerne, eure elektrischen, also Strom nutzenden Geräte würden zu viel Energie verbrauchen. Das klingt immer danach, als ob ich dabei verschwände. Dabei werde ich bloss von eurem Energiespeicher woanders hin übertragen. Euer Speicher wird so zwar leer, aber ich bin nach wie vor vorhanden.
Nun denkt ihr vielleicht, ihr bräuchtet mich nur von einer geordneten Form in die nächste umzuwandeln, und dann zurück in die erste Form, damit ihr mich während dieser Übertragungen endlos nutzen könnt….
Das wäre ja zu einfach!
Dann wäre die Energieproblematik, die euch so sehr auf Trab hält, schlichtweg nicht vorhanden. Aber wie fast alles habe auch ich einen Haken. Ihr werdet sicher schon einmal beobachtet haben, dass jedes Mal, wenn ich von einem Ding ins nächste übergehe, ein Teil von mir als Wärme frei wird – und das ist mein Problem. Da Wärme nichts anderes ist als die ungeordnete Bewegung von Materie, verbreite ich, wo ich auch hingehe, Unordnung. Deshalb habt ihr meine Schwester, die Entropie, erfunden: Die Entropie ist eine weitere physikalische Rechengrösse, der Betrag der in einem System herrschenden Unordnung.
Und der 2. Hauptsatz der Thermodynamik sagt: Bei spontaner Zustandsänderung kann die Entropie in einem System niemals abnehmen. Das heisst, wenn ich ein Ding aus freien Stücken verlasse, entsteht mindestens ebenso viel Unordnung wie ich anderswo Ordnung schaffe. Wer mich geordnet nutzen will, muss mich in einen Speicher einpacken – und dazu Energie einsetzen, wobei wieder Wärme – Unordnung – entsteht. Wenn ich also erst einmal Wärme bin, lasse ich mich nicht einfach wieder einpacken. So kann es keine “vollständige” Übertragung von einer nutzbaren Energieform in die andere geben: Es kommt immer Wärme mit dabei heraus.
Deshalb ist der Bau einer Maschine, die mich ewig im Kreis herum reicht (das wäre ein Perpetuum mobile), nicht möglich.
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