Filosofi antichi fin da Talete di Mileto c. 550 AC avevano inklings della conservazione di qualche sostanza sottostante di cui tutto è fatto., Tuttavia, non vi è alcun motivo particolare per identificare le loro teorie con ciò che oggi conosciamo come “energia di massa” (ad esempio, Thales pensava che fosse acqua). Empedocle (490-430 AC) ha scritto che nel suo sistema universale, composto da quattro radici (terra, aria, acqua, fuoco), “nulla viene ad essere o perisce”; invece, questi elementi subiscono continuo riarrangiamento. Epicuro (c., 350 a. C.) d’altra parte credeva che tutto nell’universo fosse composto da unità indivisibili di materia—l’antico precursore degli “atomi” —e anche lui aveva un’idea della necessità della conservazione, affermando che ” la somma totale delle cose era sempre tale come è ora, e tale rimarrà sempre.”

Nel 1605, Simon Stevinus fu in grado di risolvere una serie di problemi in statica basati sul principio che il moto perpetuo era impossibile.,

Nel 1639, Galileo pubblicò la sua analisi di diverse situazioni—tra cui il celebre “pendolo interrotto”—che può essere descritto (nel linguaggio moderno) come conservativamente convertendo l’energia potenziale in energia cinetica e viceversa. In sostanza, ha sottolineato che l’altezza di un corpo in movimento sale è uguale all’altezza da cui cade, e ha usato questa osservazione per dedurre l’idea di inerzia. L’aspetto notevole di questa osservazione è che l’altezza a cui un corpo in movimento sale su una superficie senza attrito non dipende dalla forma della superficie.,

Nel 1669, Christiaan Huygens pubblicò le sue leggi di collisione. Tra le quantità che ha elencato come invarianti prima e dopo la collisione dei corpi c’erano sia la somma dei loro momenti lineari che la somma delle loro energie cinetiche. Tuttavia, la differenza tra collisione elastica e anelastica non è stata compresa al momento. Ciò ha portato alla disputa tra i ricercatori successivi su quale di queste quantità conservate fosse la più fondamentale., Nel suo Horologium Oscillatorium, ha dato una dichiarazione molto più chiara per quanto riguarda l’altezza di ascesa di un corpo in movimento, e collegato questa idea con l’impossibilità di un moto perpetuo. Lo studio di Huygens sulla dinamica del movimento del pendolo si basava su un unico principio: che il centro di gravità di un oggetto pesante non può sollevarsi.

Il fatto che l’energia cinetica sia scalare, a differenza del momento lineare che è un vettore, e quindi più facile da lavorare, non sfuggì all’attenzione di Gottfried Wilhelm Leibniz., E ‘ stato Leibniz durante il 1676-1689 che prima tentato una formulazione matematica del tipo di energia che è collegato con il movimento (energia cinetica). Usando il lavoro di Huygens sulla collisione, Leibniz notò che in molti sistemi meccanici (di diverse masse, mi ciascuna con velocità vi),

i i m i v i 2 {\displaystyle \sum _{i}m_{i}v_{i}^{2}}

era conservato fino a quando le masse non interagivano. Chiamò questa quantità la vis viva o forza vivente del sistema. Il principio rappresenta una dichiarazione accurata della conservazione approssimativa dell’energia cinetica in situazioni in cui non vi è attrito., Molti fisici in quel momento, come Newton, sosteneva che la conservazione della quantità di moto, che vale anche nei sistemi con attrito, come definito dalla quantità di moto:

! i m i v i {\displaystyle\,\!\sum _{i}m_{i}v_ {i}}

era il vis viva conservato. In seguito è stato dimostrato che entrambe le quantità sono conservate contemporaneamente, date le condizioni appropriate come una collisione elastica.

Nel 1687, Isaac Newton pubblicò il suo Principia, che era organizzato attorno al concetto di forza e quantità di moto., Tuttavia, i ricercatori si sono affrettati a riconoscere che i principi esposti nel libro, mentre vanno bene per le masse puntiformi, non erano sufficienti per affrontare i moti dei corpi rigidi e fluidi. Erano necessari anche altri principi.

La legge di conservazione di vis viva è stata sostenuta dal duo padre e figlio, Johann e Daniel Bernoulli. Il primo enunciato il principio del lavoro virtuale come utilizzato in statica nella sua piena generalità nel 1715, mentre il secondo basato la sua Hydrodynamica, pubblicato nel 1738, su questo unico principio di conservazione., Lo studio di Daniel sulla perdita di vis viva dell’acqua che scorre lo ha portato a formulare il principio di Bernoulli, che riferisce la perdita di essere proporzionale al cambiamento della pressione idrodinamica. Daniel ha anche formulato la nozione di lavoro ed efficienza per le macchine idrauliche; e ha dato una teoria cinetica dei gas, e collegato l’energia cinetica delle molecole di gas con la temperatura del gas.,

Questo focus sulla vis viva da parte dei fisici continentali alla fine ha portato alla scoperta di principi di stazionarietà che governano la meccanica, come il principio di D’Alembert, lagrangiana e Hamiltoniana formulazioni della meccanica.

Émilie du Châtelet (1706-1749) propose e testò l’ipotesi della conservazione dell’energia totale, distinta dalla quantità di moto. Ispirato dalle teorie di Gottfried Leibniz, ha ripetuto e pubblicizzato un esperimento originariamente ideato da Willem ‘ s Gravesande nel 1722 in cui le palle sono stati fatti cadere da diverse altezze in un foglio di argilla morbida., L’energia cinetica di ogni palla—come indicato dalla quantità di materiale spostato-è stata dimostrata proporzionale al quadrato della velocità. La deformazione dell’argilla è risultata essere direttamente proporzionale all’altezza da cui sono state fatte cadere le sfere, pari all’energia potenziale iniziale. I lavoratori precedenti, tra cui Newton e Voltaire, avevano tutti creduto che “energia” (per quanto hanno capito il concetto a tutti) non era distinto dalla quantità di moto e quindi proporzionale alla velocità., Secondo questa comprensione, la deformazione dell’argilla avrebbe dovuto essere proporzionale alla radice quadrata dell’altezza da cui sono state fatte cadere le palle. In fisica classica la formula corretta è E k = 1 2 m v 2 {\displaystyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}} , dove E k {\displaystyle E_{k}} è l’energia cinetica di un oggetto, m {\displaystyle m} la sua massa e v {\displaystyle v} la sua velocità. Su questa base, du Châtelet ha proposto che l’energia debba avere sempre le stesse dimensioni in qualsiasi forma, che è necessaria per poterla mettere in relazione in forme diverse (cinetica, potenziale, calore…).,

Ingegneri come John Smeaton, Peter Ewart, Carl Holtzmann, Gustave-Adolphe Hirn e Marc Seguin riconobbero che la conservazione della quantità di moto da sola non era adeguata per il calcolo pratico e fecero uso del principio di Leibniz. Il principio è stato anche sostenuto da alcuni chimici come William Hyde Wollaston. Accademici come John Playfair si sono affrettati a sottolineare che l’energia cinetica non è chiaramente conservata. Questo è ovvio per un’analisi moderna basata sulla seconda legge della termodinamica, ma nei secoli XVIII e xix, il destino dell’energia perduta era ancora sconosciuto.,

A poco a poco si sospettò che il calore inevitabilmente generato dal movimento sotto attrito fosse un’altra forma di vis viva. Nel 1783, Antoine Lavoisier e Pierre-Simon Laplace hanno esaminato le due teorie concorrenti di vis viva e teoria calorica. Le osservazioni del conte Rumford del 1798 sulla generazione di calore durante la foratura dei cannoni aggiungevano più peso alla visione che il movimento meccanico poteva essere convertito in calore e (altrettanto importante) che la conversione era quantitativa e poteva essere prevista (consentendo una costante di conversione universale tra energia cinetica e calore)., Vis viva poi ha iniziato ad essere conosciuto come energia, dopo che il termine è stato usato per la prima volta in questo senso da Thomas Young nel 1807.

La ricalibrazione di vis viva in

1 2 i i m i v i 2 {\displaystyle {\frac {1}{2}}\sum _{i}m_{i}v_{i}^{2}}

che può essere intesa come conversione dell’energia cinetica in lavoro, fu in gran parte il risultato di Gaspard-Gustave Coriolis e Jean-Victor Poncelet nel periodo 1819-1839. Il primo chiamato la quantità quantité de travail (quantità di lavoro) e il secondo, travail mécanique (lavoro meccanico), ed entrambi sostenuto il suo uso in ingegneria calcolo.,

In un foglio di carta Über die Natur der Wärme(in tedesco “Sulla Natura del Calore/Calore”), pubblicato nella Zeitschrift für Physik nel 1837, Karl Friedrich Mohr ha dato una delle prime affermazioni della dottrina della conservazione dell’energia: “oltre il 54 noti gli elementi chimici che c’è nel mondo fisico un solo agente, e questo è chiamato Kraft . Può apparire, secondo le circostanze, come movimento, affinità chimica, coesione, elettricità, luce e magnetismo; e da una qualsiasi di queste forme può essere trasformata in una qualsiasi delle altre.,”

Equivalente meccanico del calore

Una fase chiave nello sviluppo del principio di conservazione moderno è stata la dimostrazione dell’equivalente meccanico del calore. La teoria calorica sosteneva che il calore non poteva né essere creato né distrutto, mentre la conservazione dell’energia comporta il principio contrario che il calore e il lavoro meccanico sono intercambiabili.

A metà del diciottesimo secolo, Mikhail Lomonosov, uno scienziato russo, postulò la sua teoria corpusculo-cinetica del calore, che respinse l’idea di un calorico., Attraverso i risultati di studi empirici, Lomonosov è giunto alla conclusione che il calore non è stato trasferito attraverso le particelle del fluido calorico.

Nel 1798, il conte Rumford (Benjamin Thompson) eseguì misurazioni del calore di attrito generato nei cannoni noiosi e sviluppò l’idea che il calore fosse una forma di energia cinetica; le sue misurazioni confutarono la teoria calorica, ma erano abbastanza imprecise da lasciare spazio a dubbi.

Il principio di equivalenza meccanica fu dichiarato per la prima volta nella sua forma moderna dal chirurgo tedesco Julius Robert von Mayer nel 1842., Mayer raggiunse la sua conclusione in un viaggio nelle Indie Orientali Olandesi, dove scoprì che il sangue dei suoi pazienti era un rosso più profondo perché consumavano meno ossigeno, e quindi meno energia, per mantenere la loro temperatura corporea nel clima più caldo. Scoprì che il calore e il lavoro meccanico erano entrambe forme di energia e nel 1845, dopo aver migliorato la sua conoscenza della fisica, pubblicò una monografia che affermava una relazione quantitativa tra di loro.

Nel frattempo, nel 1843, James Prescott Joule scoprì indipendentemente l’equivalente meccanico in una serie di esperimenti. Nel più famoso, ora chiamato “apparato Joule”, un peso discendente attaccato a una corda faceva ruotare una pagaia immersa nell’acqua. Ha dimostrato che l’energia potenziale gravitazionale persa dal peso in discesa era uguale all’energia interna acquisita dall’acqua attraverso l’attrito con la pagaia.,

Nel periodo 1840-1843, un lavoro simile fu svolto dall’ingegnere Ludwig A. Colding, anche se era poco conosciuto al di fuori della sua nativa Danimarca.

Sia il lavoro di Joule che quello di Mayer soffrirono di resistenza e negligenza, ma fu quello di Joule che alla fine ottenne il riconoscimento più ampio.

Nel 1844, William Robert Grove postulò una relazione tra meccanica, calore, luce, elettricità e magnetismo trattandoli tutti come manifestazioni di una singola “forza” (energia in termini moderni). Nel 1846, Grove pubblicò le sue teorie nel suo libro The Correlation of Physical Forces. Nel 1847, basandosi sul precedente lavoro di Joule, Sadi Carnot e Émile Clapeyron, Hermann von Helmholtz arrivò a conclusioni simili a quelle di Grove e pubblicò le sue teorie nel suo libro Über die Erhaltung der Kraft (Sulla conservazione della forza, 1847)., L’accettazione moderna generale del principio deriva da questa pubblicazione.

Nel 1850, William Rankine usò per la prima volta la frase la legge della conservazione dell’energia per il principio.

Nel 1877, Peter Guthrie Tait affermò che il principio ebbe origine con Sir Isaac Newton, basato su una lettura creativa delle proposizioni 40 e 41 dei Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Questo è ora considerato come un esempio di storia Whig.

Equivalenza massa–energiamodiFica

La materia è composta da atomi e ciò che costituisce atomi. La materia ha massa intrinseca o di riposo. Nella gamma limitata di esperienza riconosciuta del diciannovesimo secolo si è constatato che tale massa di riposo è conservata. La teoria della relatività speciale di Einstein del 1905 mostrò che la massa a riposo corrisponde a una quantità equivalente di energia a riposo., Ciò significa che la massa a riposo può essere convertita in o da quantità equivalenti di forme (non materiali) di energia, ad esempio energia cinetica, energia potenziale ed energia radiante elettromagnetica. Quando ciò accade, come riconosciuto nell’esperienza del ventesimo secolo, la massa a riposo non viene conservata, a differenza della massa totale o dell’energia totale. Tutte le forme di energia contribuiscono alla massa totale e all’energia totale.

Ad esempio, un elettrone e un positrone hanno ciascuno massa a riposo. Possono perire insieme, convertendo la loro energia di riposo combinata in fotoni con energia radiante elettromagnetica, ma senza massa di riposo., Se ciò si verifica all’interno di un sistema isolato che non rilascia i fotoni o la loro energia nell’ambiente esterno, allora né la massa totale né l’energia totale del sistema cambieranno. L’energia radiante elettromagnetica prodotta contribuisce tanto all’inerzia (e a qualsiasi peso) del sistema quanto alla massa a riposo dell’elettrone e del positrone prima della loro scomparsa. Allo stesso modo, le forme non materiali di energia possono perire in materia, che ha massa di riposo.,

Quindi, la conservazione dell’energia (totale, compresa l’energia materiale o di riposo) e la conservazione della massa (totale, non solo di riposo), ciascuna vale ancora come una legge (equivalente). Nel 18 ° secolo queste erano apparse come due leggi apparentemente distinte.,

Conservazione dell’energia in beta decayEdit

La scoperta nel 1911 che gli elettroni emessi nel decadimento beta hanno un continuo piuttosto che un discreto spettro sembrava contraddire la conservazione dell’energia, sotto l’allora corrente presupposto che il decadimento beta è la semplice emissione di un elettrone dal nucleo. Questo problema fu infine risolto nel 1933 da Enrico Fermi che propose la corretta descrizione del decadimento beta come emissione sia di un elettrone che di un antineutrino, che porta via l’energia apparentemente mancante.,