Energie ist eine fundamentale physikalische Größe. Ihre SI-Einheit ist das Joule. Energie tritt in verschiedenen Formen auf, etwa als kinetische, elektrische, chemische Energie, als Wärmeenergie oder als elektromagnetische Strahlung. Diese Energieformen können ineinander umgewandelt werden, beispielsweise wenn ein Mensch ein Paket hochhebt oder ein Fahrrad beschleunigt, eine Batterie geladen wird, ein Lebewesen Stoffwechsel betreibt, eine Verbrennung Wärme freisetzt oder Kernfusion in der Sonne Strahlung erzeugt. Alle physikalischen Vorgänge sind mit der Übertragung und/oder Umwandlung von Energie verbunden. Daher spielt Energie auch eine zentrale Rolle in Chemie, Biologie und Technik.
Bei allen Vorgängen bleibt die Gesamtenergie stets erhalten. Energie kann zwar übertragen oder in eine andere Energieform umgewandelt werden, aber nicht entstehen oder verschwinden. Wenn also ein physikalisches System Wärme abgibt, Arbeit leistet oder Strahlung aussendet, verringert sich seine Energie entsprechend. Energie ist damit eine unverzichtbare, aber begrenzte Ressource, wodurch ihr eine große wirtschaftliche Bedeutung zukommt.
Energie ist eine wichtige Rechengröße in der Physik. In vielen Fällen lässt sie sich mithilfe der Parameter und Variablen des Systems berechnen. Sie spielt auch eine zentrale Rolle in der mathematischen Beschreibung der zeitlichen Entwicklung eines Systems – den hamiltonschen Bewegungsgleichungen in der klassischen Mechanik, der Schrödingergleichung in der Quantenmechanik und der Dirac-Gleichung in der relativistischen Quantenmechanik. Die Erhaltung der Energie, ursprünglich nur eine Erfahrungstatsache, kann mathematisch daraus gefolgert werden, dass die grundlegenden physikalischen Naturgesetze zeitlich unveränderlich sind.
Die Ruheenergie eines Systems und seine Masse sind durch die Äquivalenz von Masse und Energie () verknüpft.
Geschichte des Begriffs mini|hochkant|Hermann von Helmholtz mini|hochkant|Nicolas Léonard Sadi Carnot
Das Wort Energie geht auf zurück, das in der griechischen Antike eine rein philosophische Bedeutung im Sinne von „lebendiger Wirklichkeit und Wirksamkeit“ hatteRudolf Eisler: Wörterbuch der philosophischen Begriffe (1904). In: Textlog.de, Abgerufen am 26. November 2022. (siehe auch „Akt und Potenz“). Als naturwissenschaftlicher Begriff wurde das Wort selbst erst 1807 von dem Physiker Thomas Young in die Mechanik eingeführt. Die neue Größe Energie sollte die Stärke ganz bestimmter Wirkungen angeben, die ein bewegter Körper durch seine Bewegung hervorrufen kann, und die sich nicht allein durch seinen Impuls („Masse mal Geschwindigkeit“) bestimmen lassen. Über den Impuls war seit den Untersuchungen des Stoßes zweier Körper durch Christiaan Huygens, Christopher Wren und John Wallis um das Jahr 1668 herum bekannt, dass er bei elastischen wie bei unelastischen Körpern erhalten bleibt, also das richtige Maß für die verursachten Veränderungen und damit für die unzerstörbare „Größe der Bewegung“ ist. Bei anderen Vorgängen aber verursachen Körper verschiedener Masse, auch wenn sie gleichen Impuls haben, verschieden große Wirkungen. Dazu gehört etwa die Höhe, die ein Körper in Aufwärtsbewegung erreicht, oder die Tiefe des Lochs, das er beim Aufprall in eine weiche Masse schlägt. Hierbei nimmt die Wirkung nicht mit der Geschwindigkeit proportional zu, wie der Impuls, sondern mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Daher bezeichnete Gottfried Wilhelm Leibniz 1686Leibniz: Brevis demonstratio erroris memorabilis Cartesii. Acta Eruditorum, 1686. die Größe als das wahre Maß für die Größe der Bewegung und nannte sie vis viva („lebendige Kraft“). Dieser Name folgte dem damaligen Sprachgebrauch, in dem ein Körper nur durch die ihm innewohnenden Kräfte Wirkungen verursachen konnte. Der Name lebendige Kraft hat aber durch „Verwechslung mit dem Newtonschen Kraftbegriff eine unheilvolle Verwirrung der Ideen und eine zahllose Schar von Missverständnissen hervorgerufen“ (so Max Planck 1887 in seiner preisgekrönten Darstellung der Geschichte des Energieerhaltungssatzes.Max Planck: Das Princip von der Erhaltung der Energie. B.G. Teubner, Leipzig 1887.) Leibniz argumentierte wie folgt:
Ein Gewicht von auf die Höhe zu heben erfordert genauso viel Arbeit wie ein Gewicht auf die Höhe zu heben (Hebelgesetz). Nach Galileo Galilei ist im freien Fall , also ist die Endgeschwindigkeit im ersten Fall doppelt so hoch wie im zweiten Fall. Setzt man für die innewohnende (lebendige) Kraft, mit der man diese Arbeit (latente Form der lebendigen Kraft) messen will, an, so ist bei Erhaltung der lebendigen Kraft , das heißt und nicht , wie die Anhänger von Descartes meinten.Dargestellt nach Max Jammer: Energy, Encyclopedia of Philosophy.
Den korrekten Vorfaktor in der kinetischen Energie leitete schon Daniel Bernoulli 1726 ab.Bernoulli: Examen principiorum mechanicae. Comm. Acad. Petropol. 1726, S. 126. Siehe Szabo: Geschichte der mechanischen Prinzipien. Birkhäuser 1979, S. 71. Bei ihm wie bei anderen analytischen Mechanikern des 18. Jahrhunderts wie Leonhard Euler (z. B. Behandlung der elastischen Deformation), Joseph Louis Lagrange (Mécanique Analytique 1788) finden sich auch Vorläufer des Konzepts der potentiellen Energie (der Term Potentialfunktion stammt von George Green 1828 und unabhängig wurde sie von Carl Friedrich Gauß 1840 eingeführt, war aber als Potential schon Lagrange und Laplace bekannt). Das Konzept war schon Leibniz (in seiner Ableitung von ) und Johann I Bernoulli bekannt, der als erster 1735 das Prinzip der Erhaltung der lebendigen Kräfte formulierte (die Vorstellung hatte aber auch Leibniz zum Beispiel im 5. Brief an Samuel Clarke), das insbesondere vom Leibniz-Schüler Christian Wolff verbreitet wurde. Von potentieller Energie sprach man damals als der latenten Form der lebendigen Kraft, die sich zum Beispiel beim inelastischen Stoß auf kleinere Teilchen des Körpers verteile.Max Jammer: Energy, Encyclopedia of Philosophy, S. 228.
Um die genannten Wirkungen der Bewegung des Körpers vorhersagen zu können, definierte Young die Größe Energie als die Fähigkeit des Körpers, gegen eine widerstehende Kraft eine gewisse Strecke zurückzulegen. Er bemerkte auch, dass Arbeit, die in Form von Hubarbeit an einem Körper geleistet wird, sich später quantitativ in dessen Energie wiederfindet, kam aber noch nicht auf den Begriff der Umwandlung verschiedener Energieformen und behielt auch die Formel von Leibniz bei und war im Großen und Ganzen noch ein Anhänger des Cartesianischen Standpunkts der Kräfte.Max Jammer: Artikel Energy, Encyclopedia of Philosophy.
Im 18. Jahrhundert war man in der Mechanik und Physik an der Energie nicht sonderlich interessiert, wichtige Forscher wie EulerSiehe Szabo: Geschichte der mechanischen Prinzipien. S. 78, zur Nicht-Kenntnisnahme Eulers der Streitschrift von Immanuel Kant von 1749 über die Wahre Schätzung der lebendigen Kräfte. sahen den Streit um die Vis Viva, das wahre Kraftmaß, als Angelegenheit der Philosophen und man befasste sich mit der Lösung der Bewegungsgleichungen vor allem in der Himmelsmechanik. Der Energiebegriff im heutigen Sinn fand seinen Ursprung nicht bei den analytischen Mechanikern des 18. Jahrhunderts, sondern bei den angewandten Mathematikern der französischen Schule, darunter Lazare Carnot, der schrieb, dass die lebendige Kraft sich entweder als oder Kraft mal Weg (als latente lebendige Kraft) manifestieren kann.Essai sur les machines en général. 1783, 2. Auflage 1803 als Principes fondamentaux de l’equilibre et du mouvement. Eine quantitative Definition der Arbeit („Kraft mal Weg“ bzw. ) wurde auch 1829 gleichzeitig von Coriolis und Poncelet gegeben, offenbar unabhängig voneinander,Alexandre Moatti: Gaspard-Gustave de Coriolis (1792–1843): un mathématicien, théoricien de la mécanique appliquée. Dissertation an der Universität von Paris, 2011 (PDF; 6,4 MB; französisch), abgerufen am 26. November 2022. und auch von Young. Coriolis fand dabei auch den richtigen Ausdruck für die Bewegungsenergie, die 1853 von Rankine erstmals kinetische Energie genannt wurde. Rankine prägte 1859Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 40. auch den Ausdruck potentielle Energie.
Im Zusammenhang mit der Dampfmaschine entwickelte sich die Vorstellung, dass Wärmeenergie bei vielen Prozessen die Ursache für eine bewegende Energie oder mechanische Arbeit ist. Ausgangspunkt war, dass Wasser durch Hitze in den gasförmigen Zustand überführt 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. Demonstriert wurde der Zusammenhang von mechanischer Energie und Wärme in berühmt gewordenen Experimenten von Benjamin Thompson (Graf Rumford, München 1796, 1798) und Humphry Davy (1799).
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 vielbeachteten Schrift über das Funktionsprinzip der Dampfmaschine. Émile 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, entspräche 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 eigenständig von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergeht.
Hermann von Helmholtz formulierte im Jahr 1847 das Prinzip „über die Erhaltung der 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. Sowohl Mayer als auch Helmholtz hatten aber in den 1840er Jahren Schwierigkeiten, ihre Erkenntnisse zu veröffentlichen, da beide zunächst als fachfremde Außenseiter galten und die Physiker in Deutschland in einer Abwehrhaltung gegen die seit Ende des 18. Jahrhunderts einflussreiche Naturphilosophie des Kreises um Schelling waren und man beide verdächtigte, Anhänger dieser spekulativen Physik zu sein.Walther Gerlach: Fortschritte der Naturwissenschaft im 19. Jahrhundert. In: Propyläen Weltgeschichte. Band 8 (19. Jahrhundert), 1960.
Josiah Gibbs kam im Jahr 1878 zu ähnlichen Erkenntnissen wie Helmholtz bei elektrochemischen Zellen. Chemische Reaktionen laufen nur ab, wenn die Freie Energie abnimmt. 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.