Die wichtigsten physikalischen Gesetze
Arbeit, Energie und Energieerhaltung

Arbeit ist Kraft x Weg. Wenn man an einem Körper Arbeit verrichtet, vergrößert man seinen Energiegehalt. Energie ist also "gespeicherte Arbeit". Diese "gespeicherte Arbeit" kann wieder abgegeben werden. Energie kann in einem abgeschlossenen System weder erzeugt noch vernichtet werden. Energie kann nur von einer Form in die andere umgewandelt werden. Folgende Energieformen sind für das Verständnis des Klimas wichtig:

• Kinetische Energie
• Potenzielle Energie
• Wärmeenergie
• Strahlungsenergie
• Chemische Energie

1. Kinetische Energie

Bewegungs-Energie, die in einem sich bewegenden Körper gespeichert ist. Entspricht der Arbeit, die geleistet wurde, um den Körper auf die momentane Geschwindigkeit zu beschleunigen.

2. Potentielle Energie

ist diejenige Energie, die in einem Körper gespeichert ist, wenn er sich in einer bestimmten Höhe befindet. Die potentielle Energie nimmt mit der Höhe zu. Sie ist gleich der Arbeit, die benötigt wurde, um einen Körper auf die Höhe zu heben, auf der er sich gerade befindet.

    m = Masse des Körpers [kg]
    g = Erdbeschleunigung ( =9.81 [m/sec²] )
    h = Höhe, in der sich der Körper befindet [m]

3. Wärmeenergie

ist die Energie, die in einem Körper in Form von Brown'scher Molekularbewegung gespeichert ist. Die Atome bzw. Moleküle in einem Körper bewegen sich ungeordnet mit der der Temperatur des Körpers oder Gases entsprechende Energie. Damit ist die Wärmeenergie eine spezielle Form der Bewegungsenergie und damit kinetischen Energie.

4. Strahlungsenergie

ist die Energie, die durch elektromagnetische Wellen transportiert wird. Die transportierte Energie hängt ab von der Wellenlänge und von der Amplitude der Strahlung. Je kürzer die Wellenlänge  und damit je höher die Frequenz, desto mehr Energie kann von einem Strahl transportiert werden (desto öfter schwingt die Welle pro Sekunde). Je größer die Amplitude der Strahlung, desto mehr Energie wird transportiert. Die Intensität ist das Quadrat der Amplitude der Welle.

Definition der Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle:

KG2-1: Definition einer elektromagnetischen Welle

Das elektromagnetische Spektrum beinhaltet sämtliche Wellenlängen, die elektromagnetische Wellen annehmen können. In der folgenden Abbildung ist das elektromagnetische Spektrum gezeigt:

KB2-1: Das elektromagnetische Spektrum (Attenuation (dB) gibt die Dämpfung der Atmosphäre beim Durchgang der elektromagnetischen Strahlung an. dB ist ein logarithmisches Maß für die Dämpfung. Dämpfung 0 dB heißt keine Abschwächung, 20 dB ist immer ein Faktor 10. d.h. 20 dB = Dämpfung auf ein 10tel, 40 dB = Dämpfung auf ein 100stel, 60 dB = Dämpfung auf ein 1000tel, 100 dB = Dämpfung auf ein 100000tel usw.)

Elektromagnetische Strahlung entsteht durch Emission. Jeder Körper, der eine Temperatur hat, die größer ist als der absolute Nullpunkt (T = 0 [K (absolute Temperatur)] oder 273.16 Grad C) emittiert elektromagnetische Wellen. Die Spektralzusammensetzung und Intensität der emittierten Strahlung ist abhängig von der Temperatur. Drei physikalische Gesetze beschreiben die Zusammenhänge.

5. Chemische Energie

ist die Energie, die in einer chemischen Bindung gespeichert ist und die in Form von Arbeit aufgebracht werden muß, um diese Bindung zu trennen (endotherm) bzw. die frei wird, wenn sich eine Bindung trennt (exotherm).