In den beiden letzten Artikeln wurden die Sonnenenergie als regenerativer Primärenergieträger sowie Photonen als ihre elementaren Lichtteilchen behandelt. Auch in diesem Zusammenhang war für die Quantenphysik und -mechanik die spezielle Relativitätstheorie richtungsweisend, in deren Rahmen auch das Naturgesetz entdeckt wurde, das in diesem Beitrag erläutert werden soll.

Gemäß der Ausführungen im vorangegangenen Artikel kann die in einem Photon enthaltene Energie E durch die Formel E = (h · c) / λ mit h als sogenanntes Plancksches Wirkungsquantum, λ als Wellenlänge und c als Geschwindigkeit des Lichts dargestellt werden. Die Resultierende E wird in diesem Kontext auch als Ruheenergie oder Innere Energie eines Körpers oder eines Systems bezeichnet.

Wie beschrieben handelt es sich bei Photonen um masselose Elementarteilchen des Lichts, welches sich im idealen Vakuum bzw. im luftleeren Raum mit einer Geschwindigkeit von 299.792.458 m/s fortbewegt. Für Partikel mit einer Masse > 0 gilt in Abhängigkeit von dieser Lichtgeschwindigkeit eine andere mathematische Relation, nämlich die Äquivalenz von Masse und Energie eines Körpers bzw. Systems, die durch die folgende Formel beschrieben werden kann: E = m · c².

Dieses auch als Einstein’sche Gleichung bekannte Naturgesetz aus der Kern- bzw. Quantenphysik wurde im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein aus dem Jahr 1905 entdeckt und besagt, dass sich die Innere Energie eines Körpers über den Faktor c² in Abhängigkeit von seiner Masse ändert und dass Energie und Masse eines Systems somit direkt proportional zueinander im Verhältnis stehen. Je größer (kleiner) die Energie eines Objekts, desto größer (kleiner) ist auch seine Masse. Dies wird je nach Vorzeichen auch als Massezuwachs (Δm > 0) oder Massedefekt (Δm < 0) bezeichnet. Allerdings fällt die im Alltag mess- oder wahrnehmbare Masseänderung Δm = ΔE/c² mit ΔE als Energieänderung bzw. -übertragung aufgrund des mit ca. 9 · 10¹⁶ m/s sehr großen konstanten Proportionalitätsfaktors c² entsprechend nur sehr gering aus.

Für geschlossene Systeme gelten somit die Erhaltung der Masse sowie die Erhaltung der Energie. Da Energie neben der hier relevanten Inneren Energie durch Umwandlungsprozesse wie zum Beispiel durch radioaktiven Zerfall jedoch auch als kinetische Energie vorliegen kann, und jedoch nur die Ruheenergie zur Masse äquivalent bzw. proportional ist, ist die Massenerhaltung nicht allgemein gültig. Somit verbleibt nur ein allgemeingültiges Axiom, das als Energieerhaltungssatz bekannt ist und besagt, dass Energie nicht erzeugt oder vernichtet, sondern lediglich in verschiedene Formen umgewandelt werden kann, zum Beispiel in kinetische (Bewegungs-), potenzielle, elektrische, thermische (Wärme-), mechanische oder chemische Energie. Die resultierende Summe der einzelnen Energiemengen über die verschiedenen Energieformen vor und nach der Energiewandlung ist jedoch stets die gleiche.

Als Erhaltungsgröße kann Energie gemäß dieses Prinzips in ein oder aus einem geschlossenen System hinein- oder heraustransportiert werden, kann sich darin mit der Zeit betragsmäßig jedoch nicht ändern. Im engeren physikalischen Sinne des Energieerhaltungssatzes ist ein Verbrauch, ein Verlust oder eine „Verschwendung“ von Energie einerseits somit ebenso wie andererseits ein Erzeugen oder ein „Einsparen“ von Energie nicht möglich – diese Begriffe werden im umgangssprachlichen Kontext insbesondere vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Energieeffizienz und des Smart Home jedoch in der richtigen Bedeutung verwendet, zumal die Erde kein abgeschlossenes System ist und dabei nur auf für den Menschen nutzbare Energie (Exergie) in Form von Elektrizität, die zuvor aus chemischer Energie über kinetische und thermische Energie umgewandelt wurde, abgestellt wird.