Energie

Geschichte des Begriffs

Nicolas Léonard Sadi Carnot

Hermann von Helmholtz

Viele Denker befassten sich mit der Umwandlung von kinetischer in potentielle Energie bei einer Pendelschwingung (unter anderem Galileo Galilei, Christiaan Huygens, Evangelista Torricelli und Gottfried Wilhelm Leibniz). Ergebnis war, dass kinetische und potentielle Energie eine identische Größe haben mussten. Leibniz – und später auch Immanuel Kant - formulierte das Prinzip von der Erhaltung der Kraft. Die neuzeitliche Bezeichnung Energie geht wohl auf Thomas Young zurück, der um 1800 für Energie noch einen rein mechanischen Zusammenhang gebrauchte.Im Zusammenhang mit der Dampfmaschine entwickelte sich die Vorstellung, dass Wärmeenergie bei vielen Prozessen die Ursache für eine bewegende Energie, oder mechanische Arbeit verantwortlich ist. Ausgangspunkt war, dass Wasser durch Hitze in den gasförmigen Zustand überführt wird und die Gasausdehnung genutzt wird, um einen Kolben in einem Zylinder zu bewegen. Durch die Kraftbewegung des Kolbens vermindert sich die gespeicherte Wärmeenergie des Wasserdampfes.

Der Physiker Nicolas Carnot erkannte, dass beim Verrichten von mechanischer Arbeit eine Volumenänderung des Dampfs nötig ist. Außerdem fand er heraus, dass die Abkühlung des heißen Wassers in der Dampfmaschine nicht nur durch Wärmeleitung erfolgt. Diese Erkenntnisse veröffentlichte Carnot 1824 in einer viel beachteten Schrift über das Funktionsprinzip der Dampfmaschine. Benoît Clapeyron brachte 1834 Carnots Erkenntnisse in eine mathematische Form und entwickelte die noch heute verwendete graphische Darstellung des Carnot-Kreisprozesses.

1841 veröffentlichte der deutsche Arzt Julius Robert Mayer seine Idee, dass Energie weder erschaffen noch vernichtet, sondern nur umgewandelt werden kann. Er schrieb an einen Freund: Die Wärmemenge, die bei einer Dampfmaschine verloren gegangen ist, entspreche genau der mechanischen Arbeit, die die Maschine leistet. Dies ist heute bekannt als „Energieerhaltung“, oder auch „Erster Hauptsatz der Thermodynamik“.Der Physiker Rudolf Clausius verbesserte im Jahr 1854 die Vorstellungen über die Energieumwandlung. Er zeigte, dass nur ein Teil der Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. Ein Körper bei dem die Temperatur konstant bleibt, kann keine mechanische Arbeit leisten. Clausius entwickelte den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und führte den Begriff der Entropie ein. Nach dem zweiten Hauptsatz ist es unmöglich, dass Wärme von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergeht.

Hermann von Helmholtz formulierte im Jahr 1847 das Prinzip „über die Erhaltung Kraft“ und der Unmöglichkeit eines Perpetuum mobiles (perpetuus, lat. ewig; mobilis, lat.: beweglich) 1. Art. Viele Erfinder wollten damals noch Maschinen herstellen, die mehr Energie erzeugten als hineingesteckt wurde. Helmholtz fand seine Erkenntnisse durch Arbeiten mit elektrischer Energie aus galvanischen Elementen, insbesondere einer Zink/Brom-Zelle. In späteren Jahren verknüpfte er die Entropie und die Wärmeentwicklung einer chemischen Umwandlung zur freien Energie.

Josiah Gibbs kam im Jahr 1878 zu ähnlichen Erkenntnissen bei elektrochemischen Zellen. Chemische Reaktionen laufen nur ab, wenn die Freie Energie negativ wird. Mittels der freien Energie lässt sich voraussagen, ob eine chemische Stoffumwandlung überhaupt möglich ist oder wie sich das chemische Gleichgewicht einer Reaktion bei einer Temperaturänderung verhält.

Das Wort Energie wurde 1852 von dem schottischen Physiker William Rankine im heutigen Sinn in die Physik entsprechend der oben erwähnten altgriechischen Bedeutung eingeführt (ἐν = in, innen und ἔργον = Werk, Wirken). Damit gelang eine saubere Abgrenzung zum Begriff der Kraft. Aufbauend auf Überlegungen von Wilhelm Wien (1900), Max Abraham (1902), und Hendrik Lorentz (1904) veröffentlichte Albert Einstein 1905 die Erkenntnis, dass Masse und Energie äquivalent sind.

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