Desarrollo del concepto de energía
El término energía no se aplicó como medida de la capacidad de realizar trabajo hasta bastante tarde en el desarrollo de la ciencia mecánica. De hecho, el desarrollo de la mecánica clásica puede llevarse a cabo sin recurrir al concepto de energía. Sin embargo, la idea de energía se remonta al menos a Galileo en el siglo XVII. Éste reconoció que, cuando se levanta un peso con un sistema de poleas, la fuerza aplicada multiplicada por la distancia a través de la cual debe aplicarse esa fuerza (un producto llamado, por definición, el trabajo) permanece constante aunque cualquiera de los dos factores pueda variar. El concepto de vis viva, o fuerza viva, una cantidad directamente proporcional al producto de la masa por el cuadrado de la velocidad, se introdujo en el siglo XVII. En el siglo XIX se aplicó el término energía al concepto de vis viva.
La primera ley del movimiento de Isaac Newton reconoce que la fuerza está asociada a la aceleración de una masa. Es casi inevitable que interese entonces el efecto integrado de la fuerza que actúa sobre la masa. Por supuesto, hay dos tipos de integral del efecto de la fuerza que actúa sobre la masa que se pueden definir. Una es la integral de la fuerza que actúa a lo largo de la línea de acción de la fuerza, o la integral espacial de la fuerza; la otra es la integral de la fuerza a lo largo del tiempo de su acción sobre la masa, o la integral temporal.
La evaluación de la integral espacial conduce a una cantidad que se toma ahora para representar el cambio en la energía cinética de la masa resultante de la acción de la fuerza y es sólo la mitad de la vis viva. Por otro lado, la integración temporal conduce a la evaluación del cambio de momento de la masa resultante de la acción de la fuerza. Durante algún tiempo se debatió qué integración conducía a la medida adecuada de la fuerza, ya que el filósofo-científico alemán Gottfried Wilhelm Leibniz defendía la integral espacial como la única medida verdadera, mientras que anteriormente el filósofo y matemático francés René Descartes había defendido la integral temporal. Finalmente, en el siglo XVIII, el físico francés Jean d’Alembert demostró la legitimidad de ambos enfoques para medir el efecto de una fuerza que actúa sobre una masa y que la controversia era sólo de nomenclatura.
Para recapitular, la fuerza está asociada a la aceleración de una masa; la energía cinética, o energía resultante del movimiento, es el resultado de la integración espacial de una fuerza que actúa sobre una masa; el momento es el resultado de la integración temporal de la fuerza que actúa sobre una masa; y la energía es una medida de la capacidad de realizar trabajo. Podría añadirse que la energía se define como la velocidad temporal a la que se transfiere la energía (a una masa mientras una fuerza actúa sobre ella, o a través de las líneas de transmisión desde el generador eléctrico hasta el consumidor).
La conservación de la energía (véase más adelante) fue reconocida de forma independiente por muchos científicos en la primera mitad del siglo XIX. La conservación de la energía como energía cinética, potencial y elástica en un sistema cerrado bajo la suposición de que no hay fricción ha demostrado ser una herramienta válida y útil. Además, si se examina con más detenimiento, se descubre que el rozamiento, que sirve de limitación a la mecánica clásica, se expresa en la generación de calor, ya sea en las superficies de contacto de un bloque que se desliza sobre un plano o en la masa de un fluido en el que gira una pala o en cualquiera de las otras expresiones de «rozamiento». El calor fue identificado como una forma de energía por el alemán Hermann von Helmholtz y el inglés James Prescott Joule en la década de 1840. Joule también demostró experimentalmente la relación entre la energía mecánica y la térmica en esta época. A medida que se fueron necesitando descripciones más detalladas de los distintos procesos de la naturaleza, el planteamiento consistió en buscar teorías o modelos racionales para los procesos que permitieran una medida cuantitativa del cambio de energía en el proceso y, a continuación, incluirlo y su correspondiente balance energético dentro del sistema de interés, con sujeción a la necesidad general de conservación de la energía. Este enfoque ha funcionado para la energía química de las moléculas de combustible y oxidante liberada por su combustión en un motor para producir energía térmica que posteriormente se convierte en energía mecánica para hacer funcionar una máquina; también ha funcionado para la conversión de la masa nuclear en energía en los procesos de fusión y fisión nuclear.