Innere Energie und der 1. Hauptsatz der Wärmelehre

Schauen wir uns zum Beispiel ein Gas an, das in einem Gefäß gefangen ist. Welche Energien sind in diesem Gas gespeichert? Da ist zum Ersten die Wärmeenergie des Gases, die nichts anderes als die Bewegungsenergie der unzähligen Gasatome oder -moleküle ist. Zum Zweiten üben diese Atome oder Moleküle Kräfte aufeinander aus, die elektromagnetischer Natur sind. Das kommt daher, dass die Teilchen manchmal elektrisch geladen sind. Und selbst wenn sie nach außen elektrisch neutral erscheinen, sind ihre Ladungen im Innern meist nicht gleichmäßig verteilt − und das führt zu einer elektromagnetischen Kraftwirkung zwischen den Teilchen. Und zum Dritten können die Moleküle auch noch um ihren eigenen Schwerpunkt schwingen, und auch in dieser Bewegung ist Energie gespeichert.

Diese drei Energien ergeben zusammengenommen die innere Energie des Gases. Sie heißt innere Energie, weil sie in dem Gas gespeichert ist, auch wenn dieses völlig von der Außenwelt abgeschlossen und in einen Kasten eingesperrt wird. Das Symbol für die innere Energie ist U und ihre Einheit ist, wie für alle Energieformen, das Joule, kurz J.

Bringen wir das Gas nun zum Beispiel zwischen die Pole eines großen Magneten, so werden sich die Gasteilchen nach der Richtung des Magnetfeldes ausrichten. Die Energie, die mit dieser Ausrichtung verbunden ist, zählt nicht zur inneren Energie des Gases, denn sie wird von außen durch das Magnetfeld in das Gas hineingebracht. Wenn das Magnetfeld abgeschaltet wird, verschwindet die Ausrichtung der Gasteilchen wieder. Präge dir diesen Unterschied zwischen innerer und äußerer Energie gut ein, denn der Begriff der inneren Energie ist für die Wärmelehre sehr wichtig!