Développement du concept d’énergie
Le terme d’énergie n’a été appliqué comme mesure de la capacité à effectuer un travail qu’assez tard dans le développement de la science de la mécanique. En effet, le développement de la mécanique classique peut être effectué sans recours au concept d’énergie. L’idée d’énergie remonte cependant au moins à Galilée au 17e siècle. Il a reconnu que, lorsqu’un poids est soulevé à l’aide d’un système de poulies, la force appliquée multipliée par la distance sur laquelle cette force doit être appliquée (un produit appelé, par définition, le travail) reste constante même si l’un ou l’autre de ces facteurs peut varier. Le concept de vis viva, ou force vive, une quantité directement proportionnelle au produit de la masse et du carré de la vitesse, a été introduit au 17e siècle. Au XIXe siècle, le terme d’énergie a été appliqué au concept de la vis viva.
La première loi du mouvement d’Isaac Newton reconnaît la force comme étant associée à l’accélération d’une masse. Il est presque inévitable que l’effet intégré de la force agissant sur la masse soit alors intéressant. Bien entendu, il existe deux types d’intégrales de l’effet de la force agissant sur la masse qui peuvent être définies. L’une est l’intégrale de la force agissant le long de la ligne d’action de la force, ou l’intégrale spatiale de la force ; l’autre est l’intégrale de la force sur le temps de son action sur la masse, ou l’intégrale temporelle.
L’évaluation de l’intégrale spatiale conduit à une quantité qui est maintenant considérée comme représentant le changement d’énergie cinétique de la masse résultant de l’action de la force et qui est juste la moitié du vis viva. D’autre part, l’intégration temporelle conduit à l’évaluation de la variation de la quantité de mouvement de la masse résultant de l’action de la force. Pendant un certain temps, on a débattu pour savoir quelle intégration conduisait à la bonne mesure de la force, le philosophe et scientifique allemand Gottfried Wilhelm Leibniz soutenant que l’intégrale spatiale était la seule vraie mesure, alors qu’auparavant le philosophe et mathématicien français René Descartes avait défendu l’intégrale temporelle. Finalement, au XVIIIe siècle, le physicien français Jean d’Alembert a montré la légitimité des deux approches pour mesurer l’effet d’une force agissant sur une masse et que la controverse ne portait que sur la nomenclature.
Pour récapituler, la force est associée à l’accélération d’une masse ; l’énergie cinétique, ou énergie résultant du mouvement, est le résultat de l’intégration spatiale d’une force agissant sur une masse ; la quantité de mouvement est le résultat de l’intégration temporelle de la force agissant sur une masse ; et l’énergie est une mesure de la capacité à effectuer un travail. On pourrait ajouter que la puissance est définie comme le taux temporel auquel l’énergie est transférée (à une masse lorsqu’une force agit sur elle, ou à travers les lignes de transmission du générateur électrique au consommateur).
La conservation de l’énergie (voir ci-dessous) a été reconnue indépendamment par de nombreux scientifiques dans la première moitié du 19e siècle. La conservation de l’énergie en tant qu’énergie cinétique, potentielle et élastique dans un système fermé sous l’hypothèse de l’absence de friction s’est avérée être un outil valide et utile. En outre, en y regardant de plus près, on constate que le frottement, qui sert de limite à la mécanique classique, s’exprime par la production de chaleur, que ce soit au niveau des surfaces de contact d’un bloc glissant sur un plan ou dans la masse d’un fluide dans lequel tourne une pagaie ou toute autre expression du « frottement ». La chaleur a été identifiée comme une forme d’énergie par l’Allemand Hermann von Helmholtz et l’Anglais James Prescott Joule dans les années 1840. C’est également à cette époque que Joule a démontré expérimentalement la relation entre l’énergie mécanique et l’énergie thermique. Lorsque des descriptions plus détaillées des divers processus naturels sont devenues nécessaires, l’approche a consisté à rechercher des théories ou des modèles rationnels pour les processus qui permettent une mesure quantitative du changement d’énergie dans le processus, puis à l’inclure, ainsi que le bilan énergétique correspondant, dans le système concerné, sous réserve de la nécessité générale de conserver l’énergie. Cette approche a fonctionné pour l’énergie chimique dans les molécules de carburant et d’oxydant libérées par leur combustion dans un moteur pour produire de l’énergie thermique qui est ensuite convertie en énergie mécanique pour faire fonctionner une machine ; elle a également fonctionné pour la conversion de la masse nucléaire en énergie dans les processus de fusion nucléaire et de fission nucléaire.