Conservació de l'energia
La llei de la conservació de l'energia afirma que la cantitat total d'energia en qualsevol sistema físic aïllat (sense interacció en cap atre sistema) permaneix invariable en el temps, encara que dita energia pot transformar-se en una atra forma d'energia. En resum, la llei de la conservació de l'energia afirma que l'energia no es crea ni es destruïx, solament es transforma,[1] per eixemple, quan l'energia elèctrica es transforma en energia tèrmica en un calefactor.[2]
En termodinàmica, constituïx el primer principi de la termodinàmica (la primera llei de la termodinàmica).
En mecànica analítica, pot demostrar-se que el principi de conservació de l'energia és una conseqüència de que la dinàmica d'evolució dels sistemes està regida per les mateixes característiques en cada instant del temps. Això conduïx a que la "translació" temporal siga una simetria que deixa invariante les equacions d'evolució del sistema, per lo que el teorema de Noether dus a que existix una magnitut conservada, l'energia.
La conservació de l'energia pot demostrar-se rigorosament per mig del teorema de Noether com a conseqüència de la simetria de translació del temps continu; és dir, a partir del fet de que les lleis de la física no canvien en el temps.
Una conseqüència de la llei de conservació de l'energia és que no pot existir una màquina de moviment perpetu del primer tipo, és dir, cap sistema sense un suministrament d'energia extern pot entregar una cantitat illimitada d'energia al seu entorn.[3] Per als sistemes que no tenen simetria de translació temporal, pugues no ser possible definir la conservació de l'energia. Alguns eixemples són els espais-temps curvos en la relativitat general[4] o els cristals de temps en la física de la matèria condensada.[4][5][6][7][8]
Història
[editar | editar còdic]Els filòsofs de l'Antiguetat, com Tals de Mileto (550 a. C.), ya tenien indicis de la conservació d'una substància subjacent de la que està fet tot. No obstant, no hi ha cap raó especial per a identificar les seues teories en lo que hui coneixem com "massa-energia" (per eixemple, Tals pensava que era l'aigua). Empédocles (490-430 a. C.) va escriure que en el seu sistema universal, compost per quatre elements (terra, aire, aigua i fòc), res naix ni perix,[9] sino que estos elements sofrixen una contínua reordenació. Per la seua banda, Epicuro (c. 350 a. C.) creïa que tot l'univers estava compost per unitats indivisibles de matèria —l'antic precursor dels "àtoms"— i també tenia certa idea de la necessitat de la conservació, afirmant que la suma total de les coses va ser sempre tal com és ara, i aixina seguirà sent sempre.[10]
En 1605, Simon Stevin va poder resoldre una série de problemes d'estàtica basant-se en el principi de que el moviment perpetu era impossible.
En 1639, Galileo va publicar el seu anàlisis de vàries situacions —inclós la célebre péndola interrompuda— que poden descriure's (en llenguage modern) com una conversió conservadora d'energia potencial en energia cinètica i viceversa. Bàsicament, va senyalar que l'altura a la que s'eleva un cos en moviment és igual a l'altura des de la que cau, i va utilisar esta observació per a deduir l'idea d'inèrcia. Lo notable d'esta observació és que l'altura a la que ascendix un cos en moviment sobre una superfície sense fricció no depén de la forma de la superfície.
En 1669, Christiaan Huygens va publicar les seues lleis de la colisió. Entre les cantitats que va enumerar com invariantes abans i despuix de la colisió dels cossos estaven tant la suma dels seus moments llineals com la suma de les seues energies cinètiques. No obstant, en aquella época no es comprenia la diferència entre colisió elàstica i inelástica. Açò va conduir a la disputa entre els investigadors posteriors sobre quin d'estes cantitats conservades era la més fonamental. En el seu Horologium Oscillatorium, va donar una afirmació molt més clara sobre l'altura d'ascens d'un cos en moviment, i va relacionar esta idea en l'impossibilitat d'un moviment perpetu. L'estudi de Huygens sobre la dinàmica del moviment pendular es basava en un únic principi: que el centre de gravetat d'un objecte pesat no pot elevar-se per sí mateixa.
Va ser Leibniz qui, durant els anys 1676-1689, va intentar per primera volta una formulació matemàtica del tipo d'energia que està relacionada en el moviment (energia cinètica). Utilisant el treball de Huygens sobre la colisió, Leibniz va observar que en molts sistemes mecànics (de vàries massas, mi, cada una en velocitat vi),
es conservava mentres les masses no interactuaren. Va cridar a esta cantitat la vis viva o força viva del sistema. El principi representa una declaració precisa de la conservació aproximada de la energia cinètica en situacions en les que no hi ha fricció. Molts físics de l'época, com a Newton, sostenien que la conservació del moment, que es manté inclús en sistemes en fricció, com es definix pel moment:
era la vis viva conservada. Més vesprada es va demostrar que abdós magnituts es conserven simultàneament, donades les condicions adequades, com una colisió elàstica.
En 1687, Isaac Newton va publicar el seu Principia, que es va organisar entorn al concepte de força i impuls. No obstant, els investigadors no varen tardar en reconéixer que els principis exposts en el llibre, encara que estaven ben per a les masses puntuals, no eren suficients per a abordar els moviments dels cossos rígits i decorreguts. Es necessitaven també atres principis.
La llei de conservació de la vis viva va ser defesa pel duo de pare i fill, Johann i Daniel Bernoulli. El primer va enunciar en 1715 el principi del treball virtual utilisat en l'estàtica en tota la seua generalitat, mentres que el segon va basar el seu Hydrodynamica, publicada en 1738, en este únic principi de conservació. L'estudi de Daniel sobre la pèrdua de vis vixca de l'aigua que fluïx li va dur a formular el principi de Bernoulli, que relaciona la pèrdua en la variació de la pressió hidrodinàmica. Daniel també va formular la noció de treball i eficiència per a les màquines hidràuliques; i va donar una teoria cinètica dels gasos, i va relacionar l'energia cinètica de les molècules del gas en la temperatura del mateix.
Esta atenció a la vis viva per part dels físics continentals va conduir finalment al descobriment dels principis de estacionariedad que rigen la mecànica, com el principi de D'Alambert, la Lagrangiana i les formulació Hamiltoniana de la mecànica.
Émilie du Châtelet (1706-1749) va propondre i va comprovar l'hipòtesis de la conservació de l'energia total, a diferència del moment. Inspirada per les teories de Gottfried Leibniz, va repetir i va donar a conéixer un experiment ideat originalment per Willem's Gravesande en 1722 en el que es deixaven caure boles des de diferents altures en una làmina d'argila blana. Es va demostrar que l'energia cinètica de cada bola -indicada per la cantitat de material desplaçat- era proporcional al quadrat de la velocitat. Es va comprovar que la deformació de l'argila era directament proporcional a l'altura des de la que es llançaven les boles, igual a l'energia potencial inicial. Els anteriors treballadors, inclosos Newton i Voltaire, creïen que la "energia" (en la mida en que entenien el concepte) no era distinta del moment i, per tant, era proporcional a la velocitat. D'acort en esta idea, la deformació de l'argila deuria haver segut proporcional a la raïl quadrada de l'altura des de la que es varen llançar les boles.
En la física clàssica la fòrmula correcta és , a on és l'energia cinètica d'un objecte, és la massa i la seua velocitat en mòdul.
Sobre esta base, du Châtelet va propondre que l'energia deu tindre sempre les mateixes dimensions en qualsevol forma, lo que és necessari per a poder relacionar-la en diferents formes (cinètica, potencial, calor...).[11][12]
Ingeniers com John Smeaton, Peter Ewart, Carl Holtzmann, Gustave-Adolphe Hirn i Marc Seguin varen reconéixer que la conservació del moment per sí sola no era adequada per al càlcul pràctic i varen fer us del principi de Leibniz. El principi també va ser defés per alguns químics com William Hyde Wollaston. Acadèmics com John Playfair es varen afanyar a senyalar que l'energia cinètica clarament no es conserva. Açò és obvi per a un anàlisis modern basat en la segona llei de la termodinàmica, pero en els sigles XVIII i XIX encara es desconeixia el destí de l'energia perduda.
Poc a poc es va aplegar a sospitar que la calor generada inevitablement pel moviment baix la fricció era una atra forma de vis viva. En 1783, Antoine Lavoisier i Pierre-Simon Laplace varen revisar les dos teories rivals de la vis viva i la teoria calòrica.[13] Les observacions del Comte de Rumford o Comte Rumford en 1798 sobre la generació de calor durant el mandrilado dels canons varen afegir més pes a l'opinió de que el moviment mecànic podia convertir-se en calor i (lo que és igual d'important) que la conversió era quantitativa i podia predir-se (permetent una constant de conversió universal entre l'energia cinètica i la calor). La vis viva va escomençar llavors a conéixer-se com a energia, en acabant de que el terme fora utilisat per primera volta en eixe sentit per Thomas Young en 1807.
La recalibración de vis vixca para
que pot entendre's com la conversió de l'energia cinètica en treball, va anar en gran medida el resultat de Gaspard-Gustave Coriolis i Jean-Victor Poncelet durant el periodo 1819-1839. El primer va cridar a la cantitat quantité de travail (cantitat de treball) i el segon, travail mécanique (treball mecànic), i abdós varen defendre el seu us en el càlcul d'ingenieria.
En un artícul titulat Über die Natur der Wärme (En alemà, Sobre la naturalea de la calor), publicat en el Zeitschrift für Physik en 1837, Karl Friedrich Mohr va fer una de les primeres afirmacions generals de la doctrina de la conservació de l'energia: ademés dels 54 elements químics coneguts, en el món físic hi ha un sol agent, que es diu Kraft [energia o treball]. Pot aparéixer, segons les circumstàncies, com a moviment, afinitat química, cohesió, electricitat, llum i magnetisme; i de qualsevol d'estes formes pot transformar-se en qualsevol de les atres.
Equivalent mecànic de la calor
[editar | editar còdic]Una etapa clau en el desenroll del principi de conservació modern va ser la demostració del equivalent mecànic de la calor. La teoria calòrica sostenia que la calor no podia crear-se ni destruir-se, mentres que la conservació de l'energia implica el principi contrari de que la calor i el treball mecànic són intercanviables.
A mitan de el XVIII, Mijaíl Lomonósov, un científic rus, va postular la seua teoria corpuscular-cinètica de la calor, que rebujava l'idea d'un calòric. Per mig dels resultats d'estudis empírics, Lomonosov va aplegar a la conclusió de que la calor no es transferia a través de les partícules del decorregut calòric.
En 1798, el comte Rumford (Benjamin Thompson) va realisar medicions de la calor per fricció generat en la perforació de canons, i va desenrollar l'idea de que la calor és una forma d'energia cinètica; les seues medicions refutaron la teoria calòrica, pero varen ser lo suficientment imprecises com per a deixar lloc a dubtes.
El principi d'equivalència mecànica va ser enunciat per primera volta en la seua forma moderna pel cirugià alemà Julius Robert von Mayer en 1842.[14] Mayer va aplegar a la seua conclusió en un viage a les Índies Orientals Neerlandeses, a on va descobrir que la sanc dels seus pacients era d'un roig més intens perque consumien menys oxigen, i per tant menys energia, per a mantindre la seua temperatura corporal en el clima més càlit. Va descobrir que tant la calor com el treball mecànic eren formes d'energia i en 1845, despuix de millorar els seus coneiximents de física, va publicar una monografia en la que establia una relació quantitativa entre abdós.[15]
.png)
Mentrestant, en 1843, James Prescott Joule va descobrir de forma independent l'equivalent mecànic en una série d'experiments. En el més famós, ara cridat «aparat de Joule», un pes descendent unit a una corda feya girar una paleta sumergida en aigua. Va demostrar que l'energia potencial gravitatoria que perdia el pes en descendir era igual a l'energia interna que guanyava l'aigua per la fricció en la pala.
En el periodo 1840-1843, l'ingenier Ludwig A. Colding va realisar un treball similar, encara que va ser poc conegut fòra del seu Dinamarca natal.
Tant el treball de Joule com el de Mayer varen sofrir la resistència i l'oblit, pero va anar el de Joule el que finalment va obtindre un major reconeiximent.
En 1844, William Robert Grove va postular una relació entre la mecànica, la calor, la llum, la electricitat i el magnetisme en tractar-los com a manifestacions d'una única "força" (energia en térmens moderns). En 1846, Grove va publicar les seues teories en el seu llibre The Correlation of Physical Forces (La correlació de les forces físiques).[16] En 1847, basant-se en els treballs anteriors de Joule, Sadi Carnot i Émile Clapeyron, Hermann von Helmholtz va aplegar a conclusions similars a les de Grove i va publicar les seues teories en el seu llibre Über die Erhaltung der Kraft (Sobre la conservació de la força, 1847).[17] L'acceptació moderna general del principi es deriva d'esta publicació.
En 1850, William Rankine va utilisar per primera volta l'expressió llei de la conservació de l'energia per a referir-se al principi.[18]
En 1877, Peter Guthrie Tait va afirmar que el principi es va originar en Sir Isaac Newton, basant-se en una llectura creativa de les proposicions 40 i 41 dels Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Esta afirmació es considera ara un eixemple d'història whig.[19]
Equivalència entre massa i energia
[editar | editar còdic]La matèria està composta per àtoms i lo que els compon. La matèria té massa intrínseca o massa en repòs. En el ranc llimitat de l'experiència reconeguda de el XIX es va trobar que dita massa en repòs es conserva. La teoria de la relativitat especial d'Einstein de 1905 va demostrar que la massa en repòs correspon a una cantitat equivalent de energia en repòs. Açò significa que la massa en repòs pot convertir-se en o des de cantitats equivalents de formes d'energia (no material), per eixemple, energia cinètica, energia potencial i energia electromagnètica radiant. Quan açò ocorre, com es reconeix en l'experiència de el XX, la massa en repòs no es conserva, a diferència de la massa total o l'energia total. Totes les formes d'energia contribuïxen a la massa total i a l'energia total.
Per eixemple, un electró i un positrón tenen cada u massa en repòs. Poden perir junts, convertint la seua energia de repòs combinada en fotons que tenen energia electromagnètica radiant, pero no massa de repòs. Si açò ocorre dins d'un sistema aïllat que no llibera els fotons o la seua energia en l'entorn extern, llavors ni la massa total ni la energia total del sistema canviaran. L'energia electromagnètica radiant produïda contribuïx tant a l'inèrcia (i a qualsevol pes) del sistema com ho feya la massa en repòs de l'electró i del positrón abans de la seua desaparició. De la mateixa manera, les formes no materials d'energia poden perir en la matèria, que té massa en repòs.
Per lo tant, la conservació de l'energia (total, incloent l'energia material o en repòs), i la conservació de la massa (total, no solament en repòs), seguixen sent lleis (equivalents). En el XVIII apareixien com dos lleis aparentment distintes.
Conservació de l'energia en la desintegració beta
[editar | editar còdic]- Artícul principal → Desintegració beta.
El descobriment en 1911 de que els electrons emesos en la desintegració beta tenen un espectre continu i no discret semblava contradir la conservació de l'energia, baix la suposició llavors vigent de que la desintegració beta és la simple emissió d'un electró des d'un núcleu.[20][21] Este problema va ser finalment resolt en 1933 per Enrico Fermi, qui va propondre la correcta descripció de la desintegració beta com l'emissió tant d'un electró com d'un antineutrino, que es du l'energia aparentment perduda.Erro en la cita: Element <ref> no vàlit;
les referencies sense nom deuen de tindre contingutErro en la cita: Element <ref> no vàlit;
les referencies sense nom deuen de tindre contingut
Conservació de l'energia i termodinàmica clàssica
[editar | editar còdic]Dins dels sistemes termodinàmics, una conseqüència de la llei de conservació de l'energia és la cridada primera llei de la termodinàmica, la qual establix que, en suministrar una determinada cantitat de calor (Q) a un sistema, esta cantitat d'energia serà igual a la diferència de l'increment de la energia interna del sistema (ΔO) més el treball (W) efectuat pel sistema sobre les seues afores, , o d'una atra manera:
(1)
(vore Criteri de signes termodinàmic)
Encara que l'energia no es pert, es degrada d'acort en la segona llei de la termodinàmica. En un procés irreversible, la entropía d'un sistema aïllat aumenta i no és possible tornar-ho al estat termodinàmic físic anterior. Aixina un sistema físic aïllat pot canviar el seu estat a un atre en la mateixa energia pero en dita energia en una forma menys aprovechable. Per eixemple, un moviment en fricció és un procés irreversible pel qual es convertix energia mecànica en energia tèrmica. Eixa energia tèrmica no pot convertir-se en la seua totalitat en energia mecànica de nou ya que, com el procés opost no és espontàneu, és necessari aportar energia extra per a que es produïxca en el sentit contrari.
Des d'un punt de vista quotidià, les màquinas i els processos desenrollats per l'home funcionen en un rendiment menor al 100 %, lo que es traduïx en pèrdues d'energia i per lo tant també de recursos econòmics o materials. Com es dia anteriorment, açò no deu interpretar-se com un incompliment del principi enunciat sino com una transformació "irremediable" de l'energia.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Física Volum 1. Escrit per Víctor Campos Olguín., p. 159, en Google Libros
- ↑ Richard Feynman (1970). The Feynman Lectures on Physics Vol I. Addison Wesley. ISBN 978-0-201-02115-8.
- ↑ Planck, M. (1923/1927). Treatise on Thermodynamics, third English edition translated by A. Ogg from the seventh German edition, Longmans, Green & Co., London, page 40.
- ↑ 4,0 4,1 “A new proof of the positive energy theorem” (1981). Communications in Mathematical Physics 80 (3): 381–402. doi:. ISSN 0010-3616. Bibcode: 1981CMaPh..80..381W.
- ↑ «Death-defying clave crystal could outlast the universe». New Scientist.
- ↑ «"Clave Crystals" Could Be a Legitimate Form of Perpetual Motion». Scientific American.
- ↑ “Ca matter cycle through shapes eternally?” (2013). Nature. doi:. ISSN 1476-4687.
- ↑ “The quest to crystallize clave” (2017). Nature 543 (7644): 164–166. doi:. ISSN 0028-0836. PMID 28277535. Bibcode: 2017Natur.543..164G.
- ↑ Janko, Richard (2004). “Empedocles, "On Nature"”. Zeitschrift für Papyrologie und Epigraphik 150: 1–26.
- ↑ Laertius, Diogenes. Lives of Eminent Philosophers: Epicurus.. This passage menges from a letter quoted in full by Diogenes, and purportedly written by Epicurus himself in which he lays out the tenets of his philosophy.
- ↑ Hagengruber, Ruth, editor (2011) Émilie du Chatelet between Leibniz and Newton. Springer. ISBN 978-94-007-2074-9.
- ↑ Seduced by logic : Émilie du Châtelet, Mary Somerville, and the Newtonian revolution, US edició, New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-993161-3.
- ↑ Lavoisier, A.L. & Laplace, P.S. (1780) "Memoir on Heat", Académie Royale dones Sciences pp. 4–355
- ↑ von Mayer, J.R. (1842) "Remarks on the forces of inorganic nature" in Annalen der Chemie und Pharmacie, 43, 233
- ↑ Mayer, J.R. (1845). Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhange mit dem Stoffwechsel. Ein Beitrag zur Naturkunde, Dechsler, Heilbronn.
- ↑ Grove, W. R. (1874). The Correlation of Physical Forces, 6th edició, London: Longmans, Green.
- ↑ «On the Conservation of Force». Bartleby.
- ↑ William John Macquorn Rankine (1853) "On the General Law of the Transformation of Energy," Proceedings of the Philosophical Society of Glasgow, vol. 3, no. 5, pages 276-280; reprinted in: (1) Philosophical Magazine, séries 4, vol. 5, no. 30, pages 106-117 (February 1853); and (2) W. J. Miller, ed., Miscellaneous Scientific Papers: by W. J. Macquorn Rankine,... (London, England: Charles Griffin and Co., 1881), part II, pages 203-208: "The law of the Conservation of Energy is already known—viz. that the sum of all the energies of the universe, actual and potential, is unchangeable."
- ↑ , Chapter 1, p. 13
- ↑ (2000) Controvèrsia i consens: Nuclear Beta Decay 1911-1934, Birkhäuser Verlag. ISBN 978-3-7643-5313-1.
- ↑ “L'idea del neutrino” (1978). Physics Today 31 (9): 23-8. doi:. Bibcode: 1978PhT....31i..23B.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Conservación de la energía» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.