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Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden, was bedeutet, dass die Gesamtmenge an Energie im Universum immer konstant war und sein wird. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Energie unveränderlich ist, sie kann ihre Form ändern und sogar zwischen Objekten übertragen.
Ein häufiges Beispiel für Energieübertragung, das wir im Alltag sehen, ist die Übertragung kinetischer Energie — der mit Bewegung verbundenen Energie – von einem sich bewegenden Objekt auf ein stationäres Objekt über die Arbeit. In der Physik ist Arbeit ein Maß für die Energieübertragung und bezieht sich auf die Kraft, die ein Objekt über eine Entfernung ausübt. Wenn ein Golfschläger geschwungen wird und einen stationären Golfball trifft, wird ein Teil der kinetischen Energie des Schlägers auf den Ball übertragen, während der Schläger am Ball „arbeitet“. Bei einer Energieübertragung wie dieser bewegt sich Energie von einem Objekt zum anderen, bleibt aber in derselben Form. Eine kinetische Energieübertragung ist leicht zu beobachten und zu verstehen, aber andere wichtige Übertragungen sind nicht so einfach zu visualisieren.
Thermische Energie hat mit der inneren Energie eines Systems aufgrund seiner Temperatur zu tun. Wenn eine Substanz erhitzt wird, steigt ihre Temperatur, weil sich die Moleküle, aus denen sie besteht, schneller bewegen und durch Wärmeübertragung Wärmeenergie gewinnen. Die Temperatur wird als Maß für den Grad der „Schärfe“ oder „Kälte“ eines Objekts verwendet, und der Begriff Wärme bezieht sich auf Wärmeenergie, die von einem heißeren System auf ein kühleres übertragen wird. Thermische Energieübertragungen erfolgen auf drei Arten: durch Leitung, Konvektion und Strahlung.
Wenn Wärmeenergie zwischen benachbarten Molekülen übertragen wird, die miteinander in Kontakt stehen, wird dies als Leitung bezeichnet. Wenn ein Metalllöffel in einen Topf mit kochendem Wasser gegeben wird, wird selbst das Ende, das das Wasser nicht berührt, sehr heiß. Dies geschieht, weil Metall ein effizienter Leiter ist, was bedeutet, dass Wärme problemlos durch das Material strömt. Die Schwingungen der Moleküle am Ende des Löffels, die das Wasser berühren, breiten sich im gesamten Löffel aus, bis alle Moleküle schneller vibrieren (d. H., der ganze Löffel wird heiß). Einige Materialien wie Holz und Kunststoff sind keine guten Leiter — Wärme strömt nicht leicht durch diese Materialien — und werden stattdessen als Isolatoren bezeichnet.
Konvektion tritt nur in Flüssigkeiten wie Flüssigkeiten und Gasen auf. Wenn Wasser auf einem Herd gekocht wird, sind die Wassermoleküle am Boden des Topfes der Wärmequelle am nächsten und gewinnen zuerst Wärmeenergie. Sie beginnen sich schneller zu bewegen und breiten sich aus, wodurch eine geringere Dichte von Molekülen am Boden des Topfes entsteht. Diese Moleküle steigen dann auf die Oberseite des Topfes und werden am Boden durch kühleres, dichteres Wasser ersetzt. Der Prozess wiederholt sich und erzeugt einen Strom von Molekülen, die sinken, aufheizen, aufsteigen, abkühlen und wieder absinken.
Die dritte Art der Wärmeübertragung — Strahlung — ist entscheidend für das Leben auf der Erde und wichtig für die Erwärmung von Gewässern. Bei Strahlung muss eine Wärmequelle das zu erwärmende Objekt nicht berühren; Strahlung kann Wärme sogar durch das Vakuum des Raumes übertragen. Fast die gesamte Wärmeenergie auf der Erde stammt von der Sonne und strahlt an die Oberfläche unseres Planeten, Reisen in Form von elektromagnetischen Wellen, wie sichtbares Licht. Materialien auf der Erde absorbieren diese Wellen dann, um sie für Energie zu verwenden, oder reflektieren sie zurück in den Weltraum.
In einer Energietransformation ändert sich die Form der Energie. Ein Ball, der oben auf einem Hügel sitzt, hat gravitative potentielle Energie, die das Potenzial eines Objekts ist, aufgrund seiner Position in einem Gravitationsfeld zu arbeiten. Je höher dieser Ball auf dem Hügel ist, desto mehr potentielle Gravitationsenergie hat er im Allgemeinen. Wenn eine Kraft es den Hügel hinunter drückt, wandelt sich diese potentielle Energie in kinetische Energie um. Der Ball verliert weiterhin potentielle Energie und gewinnt kinetische Energie, bis er den Grund des Hügels erreicht.
In einem reibungslosen Universum würde der Ball nach Erreichen des Bodens für immer weiterrollen, da er nur kinetische Energie hätte. Auf der Erde bleibt der Ball jedoch am Fuße des Hügels stehen, da die kinetische Energie durch die entgegengesetzte Reibungskraft in Wärme umgewandelt wird. Genau wie bei Energietransfers wird Energie bei Transformationen konserviert.
In der Natur finden Energieübertragungen und -umwandlungen ständig statt, beispielsweise in einer Küstendünen-Umgebung.
Wenn Wärmeenergie von der Sonne ausstrahlt, erwärmt sie sowohl das Land als auch das Meer, aber Wasser hat eine spezifisch hohe Wärmekapazität, so dass es sich langsamer erwärmt als Land. Diese Temperaturdifferenz erzeugt einen Konvektionsstrom, der sich dann als Wind manifestiert.
Dieser Wind besitzt kinetische Energie, die er auf Sandkörner am Strand übertragen kann, indem er sie eine kurze Strecke trägt. Wenn der sich bewegende Sand auf ein Hindernis trifft, stoppt er aufgrund der durch den Kontakt erzeugten Reibung und seine kinetische Energie wird dann in Wärmeenergie oder Wärme umgewandelt. Sobald sich im Laufe der Zeit genügend Sand ansammelt, können durch diese Kollisionen Sanddünen und möglicherweise sogar ein ganzes Dünenfeld entstehen.
Diese neu gebildeten Sanddünen bieten eine einzigartige Umgebung für Pflanzen und Tiere. Eine Pflanze kann in diesen Dünen wachsen, indem sie von der Sonne abgestrahlte Lichtenergie verwendet, um Wasser und Kohlendioxid in chemische Energie umzuwandeln, die in Zucker gespeichert ist. Wenn ein Tier die Pflanze frisst, nutzt es die in diesem Zucker gespeicherte Energie, um seinen Körper zu erwärmen und sich zu bewegen, wodurch die chemische Energie in kinetische und thermische Energie umgewandelt wird.
Obwohl es nicht immer offensichtlich sein mag, geschehen Energieübertragungen und Transformationen ständig um uns herum und ermöglichen es dem Leben, wie wir es kennen, zu existieren.