Entwicklung des Energiebegriffs
Der Begriff Energie als Maß für die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, wurde erst relativ spät in der Entwicklung der Wissenschaft der Mechanik verwendet. In der Tat kann die Entwicklung der klassischen Mechanik ohne Rückgriff auf den Energiebegriff durchgeführt werden. Die Idee der Energie geht jedoch mindestens auf Galileo im 17. Jahrhundert zurück. Jahrhundert zurück. Er erkannte, dass, wenn ein Gewicht mit einem Flaschenzugsystem angehoben wird, die aufgebrachte Kraft multipliziert mit der Strecke, durch die diese Kraft aufgebracht werden muss (ein Produkt, das per Definition als Arbeit bezeichnet wird), konstant bleibt, auch wenn einer der beiden Faktoren variieren kann. Das Konzept der vis viva oder lebendigen Kraft, einer Größe, die direkt proportional zum Produkt aus Masse und dem Quadrat der Geschwindigkeit ist, wurde im 17. Jahrhundert eingeführt. Im 19. Jahrhundert wurde der Begriff Energie auf das Konzept der vis viva angewandt.
Isaac Newtons erstes Bewegungsgesetz erkennt die Kraft als mit der Beschleunigung einer Masse verbunden. Es ist fast unvermeidlich, dass dann die integrierte Wirkung der Kraft, die auf die Masse wirkt, von Interesse sein würde. Natürlich gibt es zwei Arten von Integralen der Wirkung der auf die Masse wirkenden Kraft, die definiert werden können. Das eine ist das Integral der Kraft entlang der Wirkungslinie der Kraft, oder das räumliche Integral der Kraft; das andere ist das Integral der Kraft über die Zeit ihrer Wirkung auf die Masse, oder das zeitliche Integral.
Die Auswertung des räumlichen Integrals führt zu einer Größe, die nun als die Änderung der kinetischen Energie der Masse durch die Wirkung der Kraft aufgefasst wird und gerade die Hälfte der vis viva ist. Die zeitliche Integration hingegen führt zur Auswertung der aus der Krafteinwirkung resultierenden Impulsänderung der Masse. Der deutsche Philosoph und Naturwissenschaftler Gottfried Wilhelm Leibniz vertrat das räumliche Integral als das einzig wahre Maß, während der französische Philosoph und Mathematiker René Descartes das zeitliche Integral verteidigte. Schließlich zeigte der französische Physiker Jean d’Alembert im 18. Jahrhundert die Legitimität beider Ansätze zur Messung der Wirkung einer auf eine Masse wirkenden Kraft und dass es sich bei der Kontroverse nur um eine Nomenklatur handelte.
Zur Rekapitulation: Kraft ist mit der Beschleunigung einer Masse verbunden; kinetische Energie oder Energie, die aus einer Bewegung resultiert, ist das Ergebnis der räumlichen Integration einer auf eine Masse wirkenden Kraft; Impuls ist das Ergebnis der zeitlichen Integration der auf eine Masse wirkenden Kraft; und Energie ist ein Maß für die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Man könnte hinzufügen, dass Leistung als die zeitliche Rate definiert ist, mit der Energie übertragen wird (auf eine Masse, während eine Kraft auf sie wirkt, oder durch Übertragungsleitungen vom elektrischen Generator zum Verbraucher).
Die Erhaltung der Energie (siehe unten) wurde von vielen Wissenschaftlern in der ersten Hälfte des 19. Die Erhaltung der Energie als kinetische, potentielle und elastische Energie in einem geschlossenen System unter der Annahme, dass es keine Reibung gibt, hat sich als ein gültiges und nützliches Werkzeug erwiesen. Bei näherer Betrachtung stellt man fest, dass die Reibung, die als Einschränkung der klassischen Mechanik dient, sich in der Erzeugung von Wärme ausdrückt, sei es an den Kontaktflächen eines auf einer Ebene gleitenden Blocks oder in der Masse einer Flüssigkeit, in der sich ein Paddel dreht, oder in einer der anderen Ausprägungen von „Reibung“. Wärme wurde als Energieform von Hermann von Helmholtz aus Deutschland und James Prescott Joule aus England in den 1840er Jahren identifiziert. Joule wies zu dieser Zeit auch experimentell den Zusammenhang zwischen mechanischer Energie und Wärmeenergie nach. Als detailliertere Beschreibungen der verschiedenen Prozesse in der Natur notwendig wurden, bestand der Ansatz darin, nach rationalen Theorien oder Modellen für die Prozesse zu suchen, die ein quantitatives Maß für die Energieänderung im Prozess ermöglichen, und diese dann mit der dazugehörigen Energiebilanz in das interessierende System einzubeziehen, vorbehaltlich der allgemeinen Notwendigkeit der Erhaltung der Energie. Dieser Ansatz hat für die chemische Energie in den Molekülen von Kraftstoff und Oxidationsmittel durch ihre Verbrennung in einem Motor freigesetzt, um Wärmeenergie, die anschließend in mechanische Energie umgewandelt wird, um eine Maschine laufen zu produzieren gearbeitet; es hat auch für die Umwandlung von Kernmasse in Energie in der Kernfusion und Kernspaltung Prozesse gearbeitet.