Meio Ambiente

Como a energia foi definido e descoberto em primeiro lugar?

Como a energia foi definido e descoberto em primeiro lugar? 

Para explorar esta questão, vamos considerar as seis formas mais básicas de energia em um pouco mais detalhadamente. Esses são:

  • Energia cinética
  • Energia potencial
  • Térmica (calor) Energia
  • Energia química
  • Radiação eletromagnética (luz)
  • Energia nuclear 

No processo, nós esperamos lançar um pouco mais de luz sobre como a energia é definida, e como esses conceitos foram descobertos por seres humanos.  


A descoberta da energia mecânica (a energia cinética e potencial dos objetos ordinários):

Conforme descrito na seção anterior sobre as diversas formas de energia, a energia cinética é a energia que um objeto possui em virtude de seu movimento. Qualquer coisa que está se movendo ou girando possui energia cinética. Quanto mais rápido um objeto se move ou gira, maior a sua energia cinética. Mas como é que vamos definir energia cinética matematicamente, como algo que pode quantificar? Bem, para uma simples partícula de massa m (digamos, medido em quilogramas) movendo-se com alguma velocidade específica v (digamos, em metros por segundo), a energia cinética é definida como um meio de as partículas de massa vezes o quadrado de sua velocidade (na verdade, a magnitude de sua velocidade, sua “velocidade”, mas não vamos ser pedante aqui ),

E cinéticos = (1/2) v m 2 .

Para ver primeiro como esta fórmula “comporta”, notar a partir da fórmula que se quer a velocidade ou a massa é zero, então a energia cinética deve ser igual a zero, e que, se não são iguais a zero, a energia cinética será maior se tanto a massa ou a velocidade é aumentada (assumindo ambos forem diferentes de zero para começar). Intuitivamente, você pode pensar em energia cinética como uma medida do trabalho (ou danificar!) De que algo pode fazer se ele se choca com outra coisa; quanto maior a velocidade e / ou quanto maior for a massa, quanto maior for a energia cinética e, portanto, maior é o impacto.

Abaixo, depois de definir “energia potencial”, vamos discutir como a fórmula acima foi discoverd. Mas, no momento, a notificação apenas a seguinte coisa óbvia novamente: A energia cinética é definida por um . Fórmula específica Esta fórmula foi descoberto por pessoas que estavam tentando descrever o comportamento do mundo com a linguagem matemática; energia cinética não é um conceito intuitivo, ou vago, ou místico. Isto é verdade para todas as formas de energia que discutimos aqui — que têm definições matemáticas precisas e significados. A energia pode ser quantificada.

A energia potencial, como energia cinética, é também uma medida do trabalho de um objecto ou sistema pode exercer sobre outro objecto ou sistema. Imagine um livro de cair de uma mesa e que esmaga um ovo. Este é o trabalho a ser feito para o ovo por o livro (bastante confuso!) Este trabalho potencial é uma consequência da posição do livro em relação ao chão. Mais especificamente, é a força da gravidade que acelera o livro, dando-lhe cinética energia. Assim, como observamos em uma seção anterior, porque a gravidade e, portanto, a Terra, é um componente crucial, a energia potencial é realmente uma condição do sistema-Terra livro . Então, como podemos definir   energia potencial neste caso? Para o livro sobre a mesa , a sua energia potencial é definida como a massa do livro vezes a aceleração da gravidade g (que é de cerca de 10 metros por segundo ao quadrado da superfície da Terra) e também vezes a altura h da tabela,

E potencial = mg h.

Novamente, como para a energia cinética, vemos que há uma fórmula matemática bem definida que define energia potencial.

Então, como então é que as pessoas realmente chegar a estes fórmula de que as energias cinética e potencial, e como eles provam as várias propriedades especiais de energia? Surpreendentemente, ele levou muitas pessoas muito trabalho duro ao longo de pelo menos um milênio de superar vários equívocos e descobrir as fórmulas simples acima. Em primeiro lugar, algumas pessoas, principalmente Galileo Galilei e Isaac Newton (imagem de Newton aparece à direita), gradualmente descobriram como as forças estão relacionados com a aceleração — esta informação é resumida por famosas leis de Isaac Newton de movimento , que listamos aqui para completude:

Leis de Newton:

  1. Um objeto em repouso permanecerá em repouso e um objeto em movimento permanecerá em movimento a uma velocidade constante, a menos que actuado por uma força resultante.
  2. A força resultante sobre um objeto é igual à sua massa vezes a aceleração (F = ma).

  3. Para cada ação há uma reação igual e oposta.

Embora a maioria das pessoas já estão familiarizados com essas leis, eles não são realmente tudo o que óbvia. O filósofo Aristóteles, por exemplo, escreveu que todos os objetos eventualmente chegar a um estado natural de descanso. De um ponto de vista prático, ele estava correto, porque a maioria dos objetos em nossa experiência humana a fazer exatamente isso, eles eventualmente parar, porque eles estão sujeitos a forças, como o atrito com o ar, e essas forças geralmente trazem objetos em movimento para descansar com relação ao chão. 

Mas esta observação escondia algo mais profundo – ou seja, o fato de tão óbvio fundamental e não que os objetos não sujeitos a interações com outros objetos simplesmente manter em movimento inalterado. O mundo teve que esperar até Galileo, muitos séculos depois de Aristóteles, para finalmente compreender este fato. Por que era tão difícil? Porque o seu um resumo noção – no mundo real, é impossível desligar completamente as interações. 

Para analisar as consequências dessas leis, Isaac Newton e Gottfried Leibniz ambos desenvolvidos (independente) o corpo de técnicas matemáticas conhecidas como o cálculo e aplicou-a a analisar essas leis. No decorrer dessa análise, eles, e muitas pessoas que se lhe seguiram, descobriu que era extremamente útil para formalizar certas combinações de variáveis com nomes especiais que agora se identificam com as várias formas diferentes de energia .

Assim, para dar uma resposta curta, (mecânica) de energia foi “descoberto” no curso de analisar matematicamente as equações derivadas das leis de Newton.  

Mais especificamente, este foi possível porque se verificou que as leis de Newton conduzido, com a aplicação de cálculo, a fórmulas em que o parâmetro de tempo não aparecem explicitamente.

Para ver um exemplo concreto, e como os nomes específicos para várias formas de energia surgiu, considere novamente uma simples massa m, como o livro, que se encontra no campo gravitacional da Terra. Vamos ignorar o atrito do ar, para manter as coisas realmente simples. Sabendo de antemão as definições de energia cinética e potencial (que é realmente batota!), Podemos somar a energia potencial e cinética, como definido acima, para obter o total de energia:  

Energia Total = Potencial de Energia + Energia Cinética 

= Mgh + 1/2 mv 2 .

(Lemos isso da seguinte forma: “Energia é igual a massa vezes a aceleração da gravidade vezes a altura, mais metade da velocidade vezes a massa ao quadrado” Note-se que as multiplicações não são indicados. Explicitamente com um “x” – eles estão simplesmente implícito na . notação Apenas a operação de adição é explicitamente observado: Esta convenção torna a notação muito mais simples)

Esta é de facto uma fórmula correta para calcular a energia total do livro a qualquer momento. Mas o que aconteceu historicamente, antes que alguém sabia como definir “energia”, é que esta equação foi derivada por “integrar” Primeira Lei de Newton (F = ma) .”Integração” é o processo fundamental do cálculo. 

Para aqueles que querem ver como isso funciona em detalhes, oferecemos duas opções: 

Surpreendentemente, como mostram as derivações, apesar do facto de que esta quantidade depende tanto de H e V, ambos os quais mudam com o tempo (por exemplo, como o livro cai), verificou-se que esta quantidade é igual a uma constante – isto é, não faz depende explicitamente do tempo (ou seja, a variável tempo não aparece explicitamente na equação obtém-se das leis de Newton que contém a expressão para a energia):  

Grande descoberta! (MGH + 1/2 mv 2 ) = constante

Agora você pode dizer para si mesmo “bem, é claro que a energia não contém a variável tempo, porque não incluí-lo quando escrevi isso!”. Mas isso seria incompleta – Lembre-se, nós só anotou o lado esquerdo. Como saberíamos definir essa igual a uma constante? Para mostrar isso, precisamos derivar a expressão completa a partir das equações de Newton e as equações de Newton que envolvem tempo explicitamente, por isso não há uma maneira priori saber que você iria chegar a uma expressão que não fez!

Mas, você pode dizer, como pode ser isso? Não h e v depender do tempo quando o livro está caindo? E certo que seria: O que significa que, embora as variáveis h e v tanto a mudança com o tempo como o livro cai sob a força da gravidade, ambos mudança no exatamenteda maneira certa para a energia total, dada pela fórmula acima, para ficar sempre no mesmo valor, constante!

Em outras palavras, h e v não mudam em apenas alguma forma arbitrária. Eles mudam exatamente juntos em uma maneira que mantém a constante expressão de energia.

Incrível que você diz, mas como isso poderia ser exatamente? Vamos olhar mais de perto para ver como ele funciona. Antes do livro começa a cair, a velocidade v é igual a zero, de modo que a energia cinética é zero, e que o total (inicial) de energia apenas é igual à energia potencial inicial: 

Energia inicial = mgh, onde a altura h = tabela.

Suponha-se que esta energia é de 5 Joules (a definição de um Joule, uma unidade básica para a energia, é coberto em uma seção posterior – apenas aceitar este termo por agora). Como o livro cair, ele começa a pegar velocidade, e, portanto, V, e sua energia cinética, começa a aumentar. Mas, simultaneamente, a energia potencial do livro começa a diminuir, porque a altura do livro h começa a diminuir. A descoberta matemática que a energia total é constante nos diz que o livro fica exactamente em tal uma forma que a soma de a energia potencial e cinética de energia continua a ser exactamente igual a 5 Joules. Após o livro caiu (digamos, no instante imediatamente antes que bate no chão), sua energia potencial agora é zero (porque sua altura h acima do piso é igual a zero), mas a energia total é ainda 5 Joules, ea cinética finais a energia é igual a este valor:

Energia Final = Energia inicial = 1/2 mv 2

Porque a energia total não se altera, infere-se que a (inicial) de energia potencial deve ter sido completamente convertido em energia cinética (final).

Note-se que as definições de energia cinética e energia potencial foram definidas após a descoberta de que uma combinação tão constante-in-time (MGH + 1/2 mv 2 existiu). Porque há uma tal quantidade, e única , porque existe uma tal quantidade , isso faz sentido para quebrar as coisas e chamar a combinação (MGH) “energia potencial”, ea outra combinação (1/2 mv 2 ) “energia cinética “. Se você não pode adicionar essas coisas em algo que se manteve constante no tempo, em seguida, essas definições não seria útil! Assim, a definição de expressões de energia são “holística” em um sentido. 

Finalmente, as pessoas também analisadas estas novas equações física para mostrar que quando interagem objectos, ou seja, exercer forças sobre o outro, em seguida, o trabalho exercida por um objecto no outro, como definido

   Trabalho = Força x Distância,

é exatamente igual à perda de energia que as experiências de objeto ao fazer esse trabalho. Da mesma forma, este trabalho é igual à energia de que o objecto a ser actuado em ganhos. Esta descoberta é chamado de “teorema trabalho-energia” em textos de física, e é a conexão fundamental entre os conceitos de energia e trabalho. Além disso, a sua razão de que a energia éconservada . Sem isso, o conceito de energia pode ser interessante, mas não muito útil

Em retrospecto, é realmente bastante surpreendente que uma combinação tão constante-in-time (MGH + 1/2 mv 2 ) das variáveis h e v existe mesmo em primeiro lugar. Esta combinação é especial para o caso particular de uma massa no campo gravitacional da Terra? Nem todos os todos! Acontece que existem tais combinações para todos os fenômenos físicos conhecidos por nós. Há razões muito profundas para porque isto é assim, e estes são brevemente discutidos no final desta seção. 


Descoberta de calor:

Por mais de um século depois de Newton, as pessoas não sabiam que o calor, que é agora conhecido por ser o movimento microscópico das moléculas, era também uma forma de energia. Eles suspeitaram vez que talvez fosse algum tipo de substância não relacionadas com a energia que estava contido nas coisas e poderia fluir entre as coisas, e foi lançado quando as coisas foram queimados ou desgastado pelo atrito. 

Algumas pessoas chamou esta substância suposto “fluido calórica”. Eles começaram a suspeitar que havia mais para a imagem quando alguém observou que, ao tentar furo um canhão, um podia moer e moer e fazer uma grande quantidade de calor, mas não moer a maior parte do canhão. Assim, parecia que o “fluido calórico” era interminável, e, portanto, era difícil ver como ele poderia estar vindo através do material da própria canhão. Pelo contrário, parecia ser de algum modo produzido a partir do processo de moagem do canhão. 

Finalmente, um Inglês físico chamado James Prescott Joule 1818-1889, através de experiências muito cuidado, provou que o calor é realmente uma forma de energia, mostrando como ele poderia vir de conversão de outras formas de energia, como a energia mecânica ou química, e que quando o calor é considerado no cálculo do total de energia, a energia total em processos que envolvem calor é conservada. 


Descoberta de radiação eletromagnética e propriedades de energia nuclear:

Vamos agora discutir como a radiação (luz) e energia nuclear (a chamada energia “massa de repouso” da matéria) eletromagnética veio a ser conhecido. 

A radiação eletromagnética e energia restante em massa pode ser pensado como representando dois extremos físicos de energia na natureza. A expressão “energia de repouso em massa” refere-se à intrínseca energia que um objeto possui em virtude de sua simplesmente ter massa, enquanto a luz é um “estado de energia pura”, e tem “massa de repouso” zero. Objetos comuns que tenham tanto restante em massa e energia cinética pode ser considerado como estando em um estado em algum lugar entre esses dois extremos.

Nós usamos a frase “massa de repouso”, porque Teoria Especial da Relatividade de Einstein nos diz que a massa de um objeto não é realmente constante, mas na verdade aumenta com a velocidade de um objeto (uma implicação estranha e maravilhosa dessa teoria).Aqui, estamos especificamente preocupados com a energia relativista que um objeto tem quando em repouso, daí o termo energia “massa de repouso”. Einstein veio com sua teoria da relatividade especial quando tentou explicar certas incoerências entre a teoria das ondas eletromagnéticas , que tinha sido desenvolvido no início do século XIX por Faraday, Hemholtz, Maxwell, e outros, com as propriedades matemáticas de espaço e tempo como implicado pelas Leis de Newton. Leis de Newton implícito que todos os quadros de referência que se diferenciam apenas por uma velocidade relativa constante deve ser equivalente, de modo que as leis da física devem ter a mesma aparência em todos esses quadros. Mas as equações para ondas eletromagnéticas parecia violar esta ideia. 

Essas inconsistências foram particularmente preocupante porque ambas as Leis de Newton e da teoria eletromagnética eram até então bem fundamentada na experiência. No cerne da questão era a descoberta experimental de que a velocidade da luz era aparentemente independente do referencial de um observador, o que pareceu consistente com a teoria eletromagnética, mas parecia em desacordo com a teoria newtoniana.  No processo de resolver esta contradição, Einstein deduziu , muito para todos grande e continuando fascínio, que  a própria matéria é uma forma de energia , a quantidade precisa dessa energia massa de repouso que está sendo dado por sua famosa fórmula,

E = mc 2 , 

onde m é uma massa objetos e c é a velocidade da luz. Como indicado na secção sobre as várias formas de energia, esta fórmula nos diz que um realmente enorme quantidade de energia é empacotado dentro de matéria comum. Por exemplo, custaria mais de um milhão de dólares para comprar a quantidade de energia a partir de um utilitário do massa de repouso de um único centavo! 

Não vemos qualquer desta energia em uso no mundo todos os dias? Sim! Uma pequena fração do que a energia é liberada em reações nucleares em reatores nucleares e armas nucleares. Mais significativamente, a energia emitida pelo Sol vem principalmente de massa de repouso convertido em energia quando núcleos de hidrogênio no fusível Sun para formar núcleos de hélio (Fusão).

A teoria de Einstein não deve ser visto como algo diferente a partir dos resultados decorrentes das leis de Newton. Em vez disso, as leis de Newton pode ser mostrado que sejam limitantes caso quando as velocidades muito menos do que a velocidade da luz são consideradas. Em outras palavras, Einstein, na verdade, estendeu a teoria de Newton a grandes velocidades, mas ao fazê-lo, ele mudou nossas ideias sobre espaço e tempo para sempre.

Radiação:

A radiação electromagnética, ou luz (embora apenas alguns dos que é visível aos nossos olhos) pode ser pensado como pura forma de energia. Isso inclui luz visível, o calor que você se sentir em um raio de um incêndio, e as ondas de rádio e televisão.

É válido pensar em luz como que consiste em pacotes de energia pura, chamadas fótons, que viajam pelo espaço a cerca de 186.282 milhas por hora. Mais uma vez, é por causa de Einstein que sabemos que podemos pensar da luz como sendo o “estado de energia pura”. Isto é porque a teoria de Einstein também mostra claramente que a luz, embora feito de pacotes discretos, tem de zero massa em repouso. A radiação electromagnética é gerado, por exemplo, quando os electrões num salto átomo para um nível de energia mais baixo através da emissão de um fotão, ou quando carregada partículas são aceleradas e para trás na antena de um rádio transmissor. 

 Historicamente, a teoria clássica da luz, sobre a qual a obra de Einstein foi baseado, em grande parte, foi desenvolvido após um longo período de pesquisas sobre eletricidade e magnetismo. Inicialmente, a luz foi pensado para ser pequenos “corpúsculos” de energia, como sugerido por Newton (por razões que eventualmente provou errônea). Então, no século XIX, foi demonstrado que a luz realmente corresponde às ondas electromagnéticas campos elétricos e magnéticos, ou seja, acopladas que se propagam no espaço através de uma espécie de push-pull forma de auto-perpetuação. Esta descoberta revelou como acelerando partículas carregadas podem gerada luz, e levou à invenção de rádio, e muitos outros dispositivos. 

Um pouco mais tarde, por volta da virada do século, no entanto, foi encontrada por Einstein e outros que a luz também pode ser pensado como vindo em pacotes discretos de energia (que hoje chamamos de fótons), bem como ondas. O fato de que a luz se comporta tanto como partículas e como ondas é um estranho e difícil de entender a dualidade conceitual que subjaz a grande parte da teoria da mecânica quântica na física moderna. Esta dualidade, de fato, está no cerne dos mistérios mais profundos do presente da física de partículas dia.


A razão não é de Conservação de Energia em nosso mundo

Para concluir esta seção, vamos dar-se a questão de j ust porque é que as equações da física poderia ter permitido que a quantidade conservada que chamamos de energia em primeiro lugar? Este é apenas um acidente? Hoje em dia, temos uma compreensão mais profunda de por que existe uma tal quantidade. Acontece que a verdadeira razão para tal quantidade é a seguinte declaração inocente:

  • As leis da física não mudam com o tempo

A partir desta premissa muito simples, o princípio da conservação da energia pode ser mostrado para segurar.   A primeira pessoa para apreciar plenamente este fato foi o grande matemático, Emmy Noether , que explicou pela primeira vez este fato em 1905, mesmo ano em que Einstein publicou sua teoria relatividade da especial.

O fato de que a invariância, ou simetria das leis da física com relação ao tempo pode levar a algo tão concreto e útil como conservação de energia é realmente muito profunda. Como Noether mostrou, simetrias básicas levar a muitas outras leis da física também.Conservação do momento, por exemplo, um outro princípio da física, é uma consequência do fato de que as leis da física não variam de lugar para lugar. Assim, simetrias nos permitem derivar muito poderoso “leis da natureza” por razões muito gerais. 

Sobre o autor | Website

Meu nome é Vagner Liberato, sou carioca e vivo no Rio de Janeiro. Formei-me em Administração de Empresas e sou um apaixonado por conteúdo sustentável. Desde 2015 faço o Meio Ambiente Rio com maior prazer! Para falar comigo, entre em contato pelo email: contato@meioambienterio.com

Para enviar seu comentário, preencha os campos abaixo:

Deixe uma resposta

*

Seja o primeiro a comentar!

Por gentileza, se deseja alterar o arquivo do rodapé,
entre em contato com o suporte.