Desenvolvimento do conceito de energia
O termo energia não foi aplicado como medida da capacidade de fazer trabalho até bastante tarde no desenvolvimento da ciência da mecânica. De facto, o desenvolvimento da mecânica clássica pode ser levado a cabo sem recurso ao conceito de energia. A ideia de energia, porém, remonta, pelo menos, a Galileu no século XVII. Ele reconheceu que, quando um peso é levantado com um sistema de roldanas, a força aplicada multiplicada pela distância através da qual essa força deve ser aplicada (um produto chamado, por definição, a obra) permanece constante mesmo que qualquer dos factores possa variar. O conceito de vis viva, ou força viva, uma quantidade directamente proporcional ao produto da massa e ao quadrado da velocidade, foi introduzido no século XVII. No século XIX, o termo energia foi aplicado ao conceito de vis viva.
A primeira lei do movimento de Newton reconhece a força como sendo associada à aceleração de uma massa. É quase inevitável que o efeito integrado da força que actua sobre a massa seja então de interesse. Evidentemente, existem dois tipos de integral do efeito da força que actua sobre a massa que podem ser definidos. Uma é a integral da força que actua na linha de acção da força, ou a integral espacial da força; a outra é a integral da força no tempo da sua acção sobre a massa, ou a integral temporal.
p>Avaliação da integral espacial conduz a uma quantidade que é agora tomada para representar a alteração da energia cinética da massa resultante da acção da força e é apenas metade da vis viva. Por outro lado, a integração temporal leva à avaliação da mudança de impulso da massa resultante da acção da força. Durante algum tempo houve debate sobre qual a integração levou à medida adequada da força, o filósofo e cientista alemão Gottfried Wilhelm Leibniz defendendo a integral espacial como a única medida verdadeira, enquanto anteriormente o filósofo e matemático francês René Descartes tinha defendido a integral temporal. Eventualmente, no século XVIII, o físico francês Jean d’Alembert mostrou a legitimidade de ambas as abordagens para medir o efeito de uma força agindo sobre uma massa e que a controvérsia era apenas de nomenclatura.
Para recapitular, a força está associada à aceleração de uma massa; a energia cinética, ou energia resultante do movimento, é o resultado da integração espacial de uma força que actua sobre uma massa; o impulso é o resultado da integração temporal da força que actua sobre uma massa; e a energia é uma medida da capacidade de fazer trabalho. Poder-se-ia acrescentar que a energia é definida como a taxa temporal a que a energia é transferida (para uma massa como uma força que actua sobre ela, ou através de linhas de transmissão do gerador eléctrico para o consumidor).
Conservação da energia (ver abaixo) foi reconhecida independentemente por muitos cientistas na primeira metade do século XIX. A conservação de energia como energia cinética, potencial e elástica num sistema fechado, sob o pressuposto de não haver fricção, provou ser uma ferramenta válida e útil. Além disso, após uma inspecção mais atenta, a fricção, que serve de limitação à mecânica clássica, é encontrada para se expressar na geração de calor, quer nas superfícies de contacto de um bloco que desliza sobre um plano ou na maior parte de um fluido em que uma pá está a rodar ou em qualquer outra expressão de “fricção”. O calor foi identificado como uma forma de energia por Hermann von Helmholtz da Alemanha e James Prescott Joule da Inglaterra durante a década de 1840. Joule também provou experimentalmente a relação entre a energia mecânica e a energia térmica nesta altura. Uma vez que se tornaram necessárias descrições mais detalhadas dos vários processos na natureza, a abordagem foi a de procurar teorias ou modelos racionais para os processos que permitissem uma medida quantitativa da mudança energética no processo e depois incluí-la e o seu consequente equilíbrio energético dentro do sistema de interesse, sujeito à necessidade geral de conservação de energia. Esta abordagem funcionou para a energia química nas moléculas de combustível e oxidante libertadas pela sua combustão num motor para produzir energia térmica que posteriormente é convertida em energia mecânica para fazer funcionar uma máquina; funcionou também para a conversão de massa nuclear em energia nos processos de fusão nuclear e fissão nuclear.