Enerjinin korunumu

Fizikte, enerjinin korunumu yasası, izole bir sistemdeki toplam enerjinin değişmeyeceğini ifade eder—geçen zaman boyunca miktarının sabit kaldığı söylenir. Enerji ne yok edilebilir ne de yoktan var edilebilir, ama enerji türü değişebilir, örneğin,dinamitin patlaması esnasında kimyasal enerji kinetik enerjiye dönüşebilir.
Enerji korunumu yasası gereği birinci tür devirdaim makinesinin çalışması imkansızdır (bu türde dışarıdan enerji alınmadan iş yapılacağı iddia edilir). Başka bir deyişle, dışarıdan enerji almayan bir sistem, çevresine sahip olduğundan daha fazla enerji sağlayamaz.

Isının mekanik karşılığı

Modern enerji korunumu prensibinin gelişiminde kilit aşama, Isının mekanik karşılığının ispatlanmasıydı. Isının yotan var edilemeyeceğini ya da yok edilemeyeceğini söyleyen kalori teorisi kabul görürken,aksinin olduğunu iddia eden enerji korunumu prensibi ısının ve mekanik işin birbirine dönüşebileceğini söylüyordu.
On sekizinci yüzyılın ortalarında Rus bir bilim adamı, Mikhail Lomonosov, kalori teorisine karşı olan, kan hücresi-ısının kinetik enerjisi adlı postulatını ortaya attı. Deneysel çalışmaları sonucu, Lomonosov, ısının kalorik sıvının parçacıkları vasıtasıyla iletilmediği sonucuna vardı.
1798 yılında Count Rumford (Benjamin Thompson) top güllelerinin kalibrasyonu sırasında sürtünmeden kaynaklanan ısının miktarını ölçtüler ve ısının kinetik enerjinin bir formu olduğu fikrini geliştirdiler; hesaplamalar kalori teorisini çürütmüştü ancak kesinliğini tam anlamıyla ifade etmekten yoksundu.
Mekanik eşitlik prensibi modern haliyle ilk defa Alman cerrah Julius Robert von Mayer tarafından ifade edildi, 1842 yılında. Mayer bu sonuca Endonezya'daki Hollanda kolonilerini ziyareti sırasında varmıştı,buradaki hastaları daha az oksijen tükettiklerinden (ve tabi bundan dolayı daha az enerjiye sahiplerdi-daha sıcak bir iklimde vücut sıcaklıklarını korumak için-) kanları daha koyu kırmızıydı. Isının ve mekanik işin birer enerji formu olduğunu keşfetti ve 1845 yılında, fiziğe dair bilgisini ilerlettikten sonra, iş ve ısı arasında sayısal ilişkiyi anlatan bir monografi yayınladı.
Aynı dönemde,1843 yılında, James Prescott Joule-Mayer'den bağımsız olarak- mekanik eşitliği bir dizi deneyle keşfetti. En önemlisi, şimdi "Joule aparatı" olarak bilinen, ipe bağlı bir ağırlığın aşağıya hareket etmesiyle dönen su içinde bir çıkrık düzeneği. Aşağıya inen ağırlık sebebiyle azalan yer çekimsel potansiyel enerjinin, suyun içinde dönen çıkrıktaki sürtünmeden kaynaklanan iç enerji artışına eşit olduğunu gösterdi.
1840–1843 dönemi sonrası , benzer deneyler Ludwig A. Colding isimli,Danimarka'lılar dışında fazlaca bilinmeyen, mühendis tarafından tekrar yapıldı.
Joule ve Mayer'in çalışmaları itirazlar ve olumsuz tepkilerle karşılaştı ancak nihayetinde Joule'ün çalışması genel olarak kabul gördü.
{{|Joule ve Mayer'in çalışmalarında kimin öncül olduğuna yönelik ayrıntılı bilgi için bkz.|Mechanical equivalent of heat: Priority}}
1844 yılında, William Robert Grove mekanik, ısı, ışık, elektrik ve manyetizmaarasındaki ilişkiyi,hepsini tek bir "kuvvet" olarak betimleyen, anlatan postulatını ortaya attı, (günümüz diliyle enerji ). Grove 1874'te, teorilerini Fiziksel Kuvvetler Arasındaki İlişki isimli bir kitapta yayınladı. 1847 yılında, Joule'ün önceki çalışmalarından yararlanan, Sadi Carnot, Émile Clapeyron ve Hermann von Helmholtz Grove ile benzer sonuçlara ulaştılar ve Über die Erhaltung der Kraft isimli kitapta yayınladılar çalışmalarını (On the Conservation of Force, 1847). Teorinin modern haliyle genel anlamda kabul görmesi bu yayın aracılığıyla olmuştur.
1850 yılında, William Rankine ilk defa enerji korunumu kanunu ibaresini resmen kullanmıştır.
1877 yılında, Peter Guthrie Tait bu prensibin Sir Isaac Newton'dan köken aldığını iddia etmiştir, Philosophiae Naturalis Principia Mathematicadaki 40 41 nolu önermelere dayanarak.Tait'in çalışmasına günümüz diliyle ilerleyici tarihçilik deniyor(ayrıntılı bilgi için, Whig history).

Görelilik

Albert Einstein'ın özel göreliliği keşfinin ardından, enerji, enerji-momentum 4 vektörünün bir parçası olarak görüldü (ayrıntılı bilgi için bkz. energy-momentum 4-vector). Bu vektörün her bir bileşeni, herhangi kapalı bir sistemde (aynı şartlardan bakıldığında, ayrıntılı bilgi için bkz. inertial reference frame), zamandan bağımsızdır (korunur). Parçacıkların esas kütlesi, parçacıklar sisteminin değişmez kütlesi-momentum merkezi de denebilir-(ayrıntılı bilgi için bkz. invariant mass) için; vektör uzunluğu da korunurdur (bkz. Minkowski norm)
Tek bir "yoğun" parçacığın göreceli enerjisi, hareketinden kaynaklı kinetik enerjisine ek olarak esas kütlesinden de kaynaklı olan enerjiden meydana gelir. Kinetik enerjinin düşük olduğu zamanlarda (tek parçacıklar için) ya da parçacıklar sistemi için kinetik enerji sabit kaldığında, parçacığın ya da parçacıklar sisteminin toplam enerjisi esas kütle veya değişmez kütle cinsinden bu formülle ifade edilir; .
Buna göre,enerji korunumu kanunu zamanın göreceli olduğu durumlarda bile (gözlemcinin şartları enerjisi ölçülen sistemle aynı olmalı) zamandan bağımsız bir şekilde geçerliliğini koruyor. Bu da demektir ki farklı gözlemciler enerji değerleri açısından farklı hesaplamalar yapmış olsa bile toplam enerji korunur,gözlemcilerden bağımsızdır (buna enerji-momentum ilişkisi denir, ayrıntılı bilgi için bkz. energy–momentum relation).
Genel görelilikte enerji-momentum korunumu gerilim-enerji-momentum belirsizliği ile ölçülür (ayrıntılı bilgi için bkz. stress-energy-momentum pseudotensor). Genel görelilik teorisi evrende enerji korunumu olup olmadığı konusunda net bir cevap vermez(olmama ihtimali de çıkarılabilir).

Kuantum teorisi

Kuantum mekaniğinde, bir kuantum sisteminin enerjisi kendinden-eklemli (ya da Hermitian) Hamilton operatörleriyle açıklanır (ayrıntılı bilgi çin bkz. self-adjoint, Hilbert uzayı ). Eğer bir operatör zamandan bağımsızsa, var olma/ortaya çıkma olasılığı sistemin zamanla değişimi sonucunda dahi aynı kalır. Bu sebeple tahmini/beklenen enerjisi de zamandan bağımsızdır. Kuantum alan teorisinde yerel enerji korunumu Noether'in teoreminden gelen enerji-momentum tensör operatörüyle açıklanır. Kuantum teorisindeki evrensel zaman operatörü kaybından dolayı ortaya çıkan pozisyon-momentum belirsizliğinin aksine zaman-enerji belirsizliği sadece özel birkaç durum için söz konusudur (bkz. belirsizlik ilkesi). Belirli zamanlardaki enerji miktarı, zaman-enerji belirsizliği sorununa yakalanılma dan yüksek bir kesinlikle hesaplanabilir. Sonuç olarak, enerjinin korunumu kanunu kuantum mekaniğinde bile baş vurulan temelleri sağlam bir kavramdır.