Ein bedeutsames Teilgebiet der Physik, ist die Thermodynamik – die Wärmelehre – die sich mit der Beziehung zwischen Wärme und anderen Energieformen befasst. Noch bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts tat man sich mit der Definition des Begriffes ‚Wärme‘ ziemlich schwer. Erst durch die Untersuchungen des deutschen Naturforschers und Schiffsarztes Robert Julius Mayer und des britischen Physikers James Prescott Joule wurde klar: Wärme ist Bewegungsenergie von Atomen und Molekülen. Je stärker diese Bestandteile eines Körpers schwingen, desto höher ist seine Temperatur, die man mit einem Thermometer messen kann.
Mayer war es auch, der als erster das Allgemeine Energieprinzip formulierte. Als Leitsatz seines Gedanken, wählte er einen Ausspruch des Antiken Philosophen Demokrit: „Aus Nichts – wird Nichts. Nichts wird zu Nichts“. Mayer erkannte also, dass Energie weder neu geschaffen – noch verbraucht – sondern nur von der einen, in eine andere Form umgewandelt werden kann. Die Anerkennung des Satzes von der Erhaltung und Umwandlung der Energie indes ist erst den experimentellen Forschungen Joules und der exakten theoretischen Fassung des deutschen Forschers Hermann von Helmholtz zu verdanken.
Wie jede Energieform lässt sich Wärme in andere Energien umwandeln. Demzufolge kann sie aber auch aus anderen Energieformen entstehen. Solche Vorgänge sind uns vertraut, wir brauchen nur unsere Handflächen aneinander zu reiben und schon verspüren wir eine Erwärmung. Hierbei wird mechanische Energie der Bewegung unserer Hände, durch Reibung in Wärme umgewandelt. Energien werden in Joule oder auch in Kalorien gemessen.
Die Kernenergie eine gewaltige Energiequelle
Gewaltige Energie kann bei der Kernspaltung und bei der Kernfusion freigesetzt werden. Die technische Nutzung der Kernspaltung basiert darauf, dass man den Atomkern bestimmter Elemente (Uran) durch Beschuss von Neutronen spalten kann. Dabei startet eine Kettenreaktion. Während ein Neutron verbraucht wird, werden bei jeder Spaltung eines Atomkerns, neue Neutronen freigesetzt die jeweils wieder Atomkerne spalten können, und so weiter und sofort – dadurch wird enorme Energie frei. Die Kernspaltung wurde 1938 erstmals von dem deutschen Physiker Otto Hahn in Zusammenarbeit mit der Österreicherin Lise Meitner durchgeführt.
In Kernkraftwerken, wird die im Reaktor erzeugte Hitze von Kühlmitteln aufgenommen und zur Erwärmung von Wasser verwendet. Der dabei entstehende Wasserdampf treibt nun Turbinen an, die wiederum Generatoren zur Gewinnung von elektrischem Storm antreiben. Mit nur einem Kilogramm Uran, lassen sich zwanzig Millionen Kilowatt Stunden Strom erzeugen. In einem herkömmlichen Dampfkraftwerk, braucht man dazu 2000 Tonnen Steinkohle. Wird bei einer Kernspaltung die Energie durch eine unkontrollierte Kettenreaktion plötzlich frei, so entsteht eine Explosion, wie bei einer Atombombe. Bei einem solchen Ereignis spricht man von einem GAU (größter anzunehmender Unfall), in der Regel bricht hierbei das Kühlsystems des Reaktors zusammen. Wenn dies passiert kommt es binnen Minuten zu einer sogenannten Kernschmelze, bei dem die Brennstäbe eines Reaktors überhitzen und schmelzen. In der Regel ist das Notkühlsystem in dieser Phase noch aktiv. Bricht auch dieses zusammen spricht man von einem Super GAU (Tschernobyl). Problematisch ist bis heute auch die sichere Lagerung der radioaktiven Abfälle, die nach der Kernspaltung anfallen. Bis heute existiert weltweit kein Endlager für radioaktive Abfälle.
Bemerkenswertes: Ganz schön heiß
Die für eine Kernfusion notwendigen Temperaturen betragen Millionen Grad Celsius. Solche unglaublich hohen Temperaturen, lassen sich gegenwärtig noch nicht lange genug aufrecht erhalten. Deshalb wird die Kernfusion in der Energiegewinnung der Menschen in nächster Zeit noch keine Rolle spielen können.