Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft etwas entlang eines Weges bewegt.

Formel: $\mathrm{W}=\mathrm{F}\cdot \mathrm{s}$

Einheit: $\mathrm{J(Joule)}=\mathrm{N}\cdot \mathrm{m}$

Alltagsbild: Schieben/Tragen kostet „Energie-Münzen“ pro Meter.

Leistung sagt, wie viel Energie pro Zeit umgesetzt wird.

Formel: $P=\frac{E}{t}$ (oder $P=\frac{W}{t}$ )

Einheit: $1\text{\hspace{0.17em}W}=1\text{\hspace{0.17em}J/s}$
ACHTUNG: Hier kann die Einheit $W$ (= Watt) leicht mit Arbeit verwechselt werden, die im Absatz davor auch mit $W$ abgekürzt wird.

Energie aus Leistung und Zeit: $\mathrm{E}=\mathrm{P}\cdot \mathrm{t}$

$P$ in $\text{kW}$ und $t$ in $\text{h}$ → $E$ in $\text{kWh}$
$P$ in $\text{W}$ und $t$ in $\text{s}$ → $E$ in $\text{J}$

Mini-Umrechnungen:
$1000\text{\hspace{0.17em}W}=1\text{\hspace{0.17em}kW}$; $60\text{\hspace{0.17em}min}=1\text{\hspace{0.17em}h}$; $1\text{\hspace{0.17em}kWh}=\mathrm{3,6}\text{\hspace{0.17em}MJ}$

$\mathrm{1.000.000}\text{W}=1.000\text{kW}=1\text{MW}$
$1\text{h}=60\text{min}=60\times 60\text{s}=3.600\text{s}$
$1\text{W}=1\text{J/s}$ und andersrum $1\text{J}=1\text{Ws}$
$1\text{ kWh}=1\times 60\times 60\text{kWs}=3.600\text{kWs}=3.600\text{kJ}=\mathrm{3,6}\text{MJ}$

Bei Umwandlungen wird Energie nicht vernichtet, kann aber z. B. als Abwärme nur zum Teil genutzt werden.

Formel: $\eta =\frac{E_{\text{Nutz}}}{E_{\text{zugeführt}}}$

Beispiel: Lampe → Licht (Nutzenergie) + Wärme (nicht für Licht nutzbar).

Energieform = Energie von Bewegung (kinetische Energie) und Lage (potenzielle Energie).
Woran erkennt man sie? Daran, dass sich etwas bewegt oder durch Höhe/Spannung „Bewegungspotenzial“ hat.
Beispiel = ein fahrendes Fahrrad, ein rollender Ball, ein drehendes Windrad (Bewegungsenergie); ein hochgehobenes Buch oder Wasser im Stausee (Lageenergie).
Typische Umwandlung = Lageenergie → Bewegungsenergie (fallendes Objekt) oder Bewegungsenergie → elektrische Energie (Windrad treibt Generator).

Energieform = Energie, die in der Bewegung von Atomen und Molekülen steckt (Wärmeenergie).
Woran erkennt man sie? An Temperaturänderungen: Wird etwas wärmer, steckt mehr thermische Energie darin.
Beispiel = Heizen im Alltag (z. B. Heizkörper erwärmt Luft).
Typische Umwandlung = elektrische Energie → thermische Energie (Heizlüfter) oder chemische Energie → thermische Energie (Verbrennung).

Energieform = Energie, die in Stoffverbindungen „gespeichert“ ist – wie unsichtbare Spannung in den Teilchen.
Woran erkennt man sie? Sie wird frei, wenn eine chemische Reaktion abläuft (z. B. Verbrennen oder Reaktionen im Akku).
Beispiel = Lebensmittel, Holz, Kohle, Erdgas, Benzin sowie Akkus und Batterien.
Typische Umwandlung = chemische Energie → Wärme/Licht (Verbrennung) oder chemische Energie → elektrische Energie (Batterie/Akku), oft weiter zu Bewegung (Motor) oder Wärme (Heizer).

Energieform = Energie, die durch elektrische Spannung bereitgestellt wird und in Geräten genutzt werden kann.
Woran erkennt man sie? Daran, dass in einem geschlossenen Stromkreis Ladungen fließen und Geräte funktionieren.
Beispiel = Föhn: Strom aus der Steckdose wird genutzt.
Typische Umwandlung = elektrische Energie → Wärme (Föhn/Heizer), Licht (Lampe) oder Bewegung (Elektromotor).

Energieform = Energie, die durch elektromagnetische Wellen transportiert wird.
Woran erkennt man sie? Wir nehmen sie als Licht oder als Wärmestrahlung wahr; sie kann Materie erwärmen oder durchdringen.
Beispiel = Infrarotsauna (Wärmestrahlung); außerdem zählen auch Röntgenstrahlen und Radiowellen dazu.
Typische Umwandlung = Strahlungsenergie → thermische Energie (Erwärmung) oder Strahlungsenergie → elektrische Energie (Photovoltaik).

Energieform = Energie, die im Atomkern gespeichert ist (umgangssprachlich „Atomenergie“).
Woran erkennt man sie? Sie wird frei, wenn Atomkerne gespalten (Kernspaltung) oder verschmolzen (Kernfusion) werden. Bei der Kernspaltung wird ein schwerer Atomkern durch den Beschuss mit einem Neutron instabil und zerfällt in zwei (oder mehrere) kleinere Kerne. Dabei wird sehr viel Energie frei – und es entstehen radioaktive Spaltprodukte (neue Atomkerne), die Strahlung aussenden.
Beispiel = Kernspaltung in Kernkraftwerken (unter Freisetzung radioaktiver Strahlung).
Typische Umwandlung = Kernenergie → Wärme → mechanische Energie (Turbine) → elektrische Energie (Generator).

Thermisches Gleichgewicht ist übertragbar: Haben A und B beide die gleiche Temperatur wie C, dann haben A und B auch die gleiche Temperatur.

Stehen zwei Systeme jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System, stehen alle drei im thermischen Gleichgewicht miteinander, da sich die Systeme in Bezug auf Temperatur angleichen.

Temperatur ist wie eine Tonhöhe. System C ist eine Stimmgabel, die einen bestimmten Ton vorgibt. Wenn System A mit C „gleich klingt“ (also die gleiche Temperatur hat) und System B auch mit C „gleich klingt“, dann müssen A und B automatisch auch gleich klingen – sie haben dieselbe Temperatur.

Ein Beispiel: Ein Thermometer (System A) wird in ein Glas mit 22 °C warmem Wasser (System C) gehalten. Nach kurzer Zeit zeigt das Thermometer 22 °C an. Thermometer und Wasser sind nun im thermischen Gleichgewicht, d. h. es fließt keine Wärme mehr zwischen ihnen. Ein zweites Thermometer (System B) wird in das Glas (System C) gehalten. Wenn auch dieses 22 °C anzeigt, dann sind beide Thermometer (System A und B) jeweils mit dem Wasser (System C) im thermischen Gleichgewicht.

Der 0. Hauptsatz (thermisches Gleichgewicht) ist die Basis für jede Temperaturmessung. Er ist deshalb grundlegend für die gesamte Thermodynamik.

Energie verschwindet nicht: Sie wandert nur – als Wärme oder als Arbeit.

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt die Energieerhaltung bei Wärme- und Arbeitsprozessen. Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden: Energie wird umgewandelt oder übertragen. Für ein System heißt das: Die Änderung der im System enthaltenen Energie hängt davon ab, wie viel Wärme zu- oder abgeführt wird und wie viel Arbeit das System verrichtet bzw. an ihm verrichtet wird.

Energie ist wie Geld auf einem Konto. Wärme ist eine Einzahlung (oder Auszahlung), Arbeit ist eine Überweisung, die ein- oder ausgeht. Der Kontostand (die innere Energie) ändert sich nur durch diese Transaktionen.

Ein Beispiel: Beim schnellen Benutzen einer Fahrradpumpe erwärmt sich diese. Warum? Indem du die eingeschlossene Luft zusammendrückst, verrichtest du Arbeit. Diese Arbeit wird in innere Energie umgewandelt – die Luft und wenig später auch die Pumpe werden wärmer.

Wärme fließt von allein nur von warm nach kalt – zurück geht’s nur mit Arbeit.

Dieser Zusammenhang wird mit dem Stichwort Entropie erfasst: Entropie ist ein Maß dafür, wie verteilt oder „ungeordnet“ Energie in einem System vorliegt. Der 2. Hauptsatz beschreibt die Richtung, in die Energieumwandlungen möglich sind. In der Natur laufen Vorgänge von allein nur in eine Richtung. Wärme verteilt sich so, dass Temperaturunterschiede kleiner werden. Deshalb sind viele Prozesse nicht umkehrbar: Was sich von selbst „ausgleicht“, lässt sich nicht ohne zusätzliche Energie wieder rückgängig machen.

Wärme ist wie Wasser am Hang. Bergab läuft es von allein. Bergauf geht es nur mit einer Pumpe – das ist die Arbeit, die man von außen zuführen muss.

Ein Beispiel: Im Kühlschrank ist es kälter als in der Küche. Trotzdem wird dem Innenraum Wärme entzogen und an die „Küchen“-Umgebung abgegeben. Das passiert nicht von selbst: Mittels elektrischer Energie wird die Wärme vom kalten Innenraum nach außen transportiert.

Je kälter, desto geordneter, aber absolute Ordnung gibt es nicht!

Der 3. Hauptsatz beschreibt, was beim Abkühlen in Richtung absoluter Nullpunkt (0 K = -273,15 °C) passiert. Mit sinkender Temperatur nimmt die Wärmebewegung der Teilchen ab. Dadurch gibt es immer weniger mögliche Anordnungen – das System wird geordneter.

Ein perfekter Kristall hätte bei 0 K die maximale Ordnung (die Entropie wäre dann minimal).

Wichtig: 0 K kann man praktisch nicht erreichen, man kann ihm sich nur immer weiter annähern.

Ein Beispiel: Im Klassenraum herrscht freie Platzwahl. Alle laufen herum, wechseln die Plätze – es gibt sehr viele mögliche Sitzordnungen (viel „Unordnung“). Jetzt wird eine feste Sitzordnung eingeführt: Die meisten bleiben auf ihrem Platz, die „Ordnung“ steigt. Absolut ist sie nicht, denn natürlich bewegen sich die Lernenden weiter, wenn auch auf ihrem Platz.