Conservacion de l'energia

La conservacion de l'energia es un principi fisic que considèra que l'energia totala d'un sistèma es invarianta au cors dau temps. Aqueu principi ocupa una plaça importanta dins lei sciéncias modèrnes, especialament en fisica e en quimia. A donc de traduccions particularas dins mai d'una disciplina. Pasmens, dempuei lo sègle XX, la conservacion de l'energia es pas compresa dins certanei fenomèns observats en mecanica relativista e en mecanica quantica.

 Istòria 

 De l'Antiquitat a la mecanica classica 

 Lo periòde antic 

De sabents de l'Antiquitat imaginèron de teorias regardant la conservacion d'un principi invisible que son accion dictava l'evolucion dau mond materiau. Lei cas pus coneguts son aquelei de certanei filosòfs grècs coma Tales de Milet († sègle VI avC), Empèdocles (494-434 avC)(fr) Émile Bréhier, Histoire de la philosophie, tòme I, Presses Universitaires de France, 1981, p. 60. e Epicur (341-270 avC)Dins lo cas d'Epicur, l'idèa d'una conservacion de l'energia es una consequéncia de sa teoria atomistica de la matèria. D'efiech, segon son ipotèsi, lo mond materiau èra compausat d'atòms eternèus que se gropavan ò se separavan au cors dau temps per formar ò arrestar de formar d'objèctes.. Pasmens, aquelei teorias èran pas demostradas per d'experiéncias scientificas au sens modèrne dau tèrme. An donc gaire de liames vertadiers amb lo concèpte actuau de conservacion de l'energia.

 Lo concèpte de vis viva 

En 1639, Galileo Galilei (1564-1642) analizèt plusors problemas de mecanica utilizant de versions primitivas dau teorèma de l'energia mecanica. 30 ans pus tard, Christiaan Huygens (1629-1695) publiquèt plusors lèis depintant lei fenomèns de collision. Puei, la nocion modèrna d'energia foguèt imaginada per lo sabent alemand Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) au començament dau sègle XVII durant lo periòde de mesa en plaça de la mecanica newtoniana. Suggeriguèt l'existéncia d'una vis viva, egala a mv2Es a dire lo doble de l'energia cinetica modèrna., e descurbiguèt lo principi de la conservacion de l'energia mecanica dins certanei sistèmas fisics(en) Roger Ariew e Daniel Garber (dir.), Leibniz: Philosophical Essays, Hackett, 1989, pp. 155-186.. Dins aquò, sei teorias foguèron presas dins de garolhas « nacionalistas » amb lei partisans dei teorias de René Descartes (1596-1650) en França e d'Isaac Newton (1642-1727) en Anglatèrra. L'elèit scientific d'aquelei país negligiguèt ansin lei trabalhs de Leibniz durant plusors decennis. Aquela situacion durèt fins ai trabalhs de traduccion d'Émilie du Châtelet (1706-1749) qu'introduguèt lei teorias newtonianas en França en integrant d'apòrts de Leibniz regardant l'energia(fr) Mireille Touzery, « Émilie Du Châtelet, un passeur scientifique au XVIIIe siècle. D’Euclide à Leibniz », La revue pour l’histoire du CNRS, n° 21,‎ 3 de julhet de 2008.. De mai, formulèt tornarmai lo principi de la conservacion de l'energia mecanica dins certanei sistèmas, establiguèt una diferéncia clara entre l'energia – qu'èra totjorn dich « fòrça viva » – e la quantitat de movement e suggeriguèt que l'energia cinetica, l'energia potenciala e la calor aguèsson la meteissa dimension(en) Ruth Hagengruber, Émilie du Chatelet between Leibniz and Newton, Springer, 2011..

 De la vis viva a l'energia 

Durant la segonda mitat dau sègle XVIII, plusors engenhaires comencèron d'utilizar lei principis edictats per Leibniz per resòuvre de problemas tecnics. Reconoguèron ansin lei limits deis otís dau periòde. De quimistas, coma William Hyde Wollaston (1766-1828) sostenguèron aquela evolucion. Pasmens, la dificultat d'explicar la transformacion de l'energia cinetica dins lei movements dictats per de fòrças non conservatritz suscitèt d'oposicions coma aquela de John Playfair (1748-1819)(en) John Playfair, The Edinburgh review, vol. 12, 1808.. Pasmens, a partir deis ans 1780, lei progrès en quimia permetèron de presentar de pròvas novèlas en favor de la conservacion de l'energia. En particular, Antoine Lavoisier (1743-1794) e Pierre-Simon Laplace (1749-1827) sostenguèron la teoria dau caloric. Remplaçant la teoria dau flogistic, lo caloric prefigurava la termodinamica en considerant la calor coma un fluid anant deis objèctes cauds vèrs leis objèctes fregs(fr) Gaston Bachelard, Étude sur l’évolution d’un problème de physique : La propagation thermique dans les solides, Éditions Vrin, 1928.(en) Henry Guerlac, « Chemistry as a Branch of Physics: Laplace's Collaboration with Lavoisier », Historical Studies in the Physical Sciences, University of California Press, vol. 7, 1976, pp. 193-276..

En despiech deis oposicions, aquelei trabalhs menèron a una evolucion de la vis viva que foguèt pauc a cha pauc dicha « energia » a partir de la publicacion d'un obratge de Thomas Young (1773-1829) en 1807. Puei, la question de la transformacion de l'energia cinetica durant un movement venguèt pus clar amb l'introduccion dau concèpte de trabalh fisic per Gaspard-Gustave de Coriolis (1792-1843) e Jean-Victor Poncelet (1788-1867). Enfin, en 1837, lo quimista alemand publiquèt un important article de sintèsi sus lei diferentei formas d'energia descubèrtas dins plusors brancas dei sciéncias dempuei lo començament dau sègle XIX. I presentèt una dei premierei versions de l'idèa de conservacion de l'energia en postulant la possibilitat de convertir una energia en una autra forma d'energia (quimica, electrica, luminosa, etc.)(de) Karl Friedrich Mohr, « Über die Natur der Wärme », Zeitschrift für Physik, 1837..

 La descubèrta de l'equivaléncia entre lo movement e la calor 

Durant la premiera mitat dau sègle XIX, lo desvolopament de la termodinamica e dei recèrcas sus la maquina de vapor foguèt l'etapa decisiva dins l'aparicion de l'idèa modèrna de conservacion de l'energia. D'efiech, la possibilitat de transformar la calor en trabalh fisic èra una pròva dirècta de passar d'una forma d'energia a una autra. Julius von Mayer (1814-1878)(de) Julius von Mayer, « Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur », Annalen der Chemie und Pharmacie, vol. 42, 1842, pp. 233-240., Ludwig A. Colding (1815-1888) e James Prescott Joule (1818-1889)(en) P. F. Dahl, « Colding, Ludwig August », dins C. C. Gillespie (dir.), Dictionary of Scientific Biography (Supplement I ed.), Charles Scribner's Sons, 1981, pp. 84–87. foguèron lei pioniers deis estudis sus l'equivaléncia entre la calor e lo trabalh. Entre 1843 e 1847, William Robert Grove (1811-1896)(en) W. R. Grove, The Correlation of Physical Forces, Green Longmans, 6 edicion, 1874., Paul Émile Clapeyron (1799-1864) e Hermann von Helmholtz (1821-1894)(de) Hermann von Helmholtz, Über die Erhaltung der Kraft, 1847. generalizèron aquela idèa a totei lei formas d'energia conegudas a l'epòca. Aquò permetèt au tèrme energia de s'impausar definitivament dins la comunautat scientifica. Ansin, en 1850, l'expression « conservacion de l'energia » foguèt escricha per lo premier còp per l'engenhaire escocés William Rankine (1820-1872)(en) William John Macquorn Rankine, « On the General Law of the Transformation of Energy », Proceedings of the Philosophical Society of Glasgow, vol. 3, n° 5, 1853, pp. 276-280..

 L'equivaléncia massa-energia 

Au començament dau sègle XX, lei trabalhs que menèron a la formulacion de la teoria de la relativitat especiala per Albert Einstein (1879-1955) en 1905 permetèron de descubrir lo principi de l'equivaléncia entra la massa e l'energia. Lo matematician francés Henri Poincaré (1854-1912) es probable lo pionier d'aqueu procès amb una premiera publicacion en 1900(fr) Henri Poincaré, La théorie de Lorentz et le principe de l’action et de la réaction, Archives néerlandaises des sciences exactes et naturelles, vol. 5,‎ 1900, pp. 252-278.. Tres ans pus tard, l'Italian Olinto de Pretto (1857-1921) donèt la premiera formulacion de la relacion E = mc2(it) Umberto Bartocci, Albert Einstein e Olinto De Pretto : la vera storia della formula più famosa del mondo, Andromeda, coll. « La storia impossibile » (no 2), 2006.. Pasmens, foguèt necessari d'esperar dos ans suplementaris, e la publicacion dei trabalhs d'Einstein, per popularizar aquela relacion(de) Albert Einstein, « Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? », Annalen der Physik, vol. 323, n° 13,‎ 1905, pp. 639-641.. Donèt una vision novèla dei concèptes de conservacion de l'energia e de conservacion de la massa en establissent de liames entre lei doas dimensions.

 La conservacion de l'energia dins lei desintegracions β 

La descubèrta dei desintegracions radioactivas β es, a l'ora d'ara, la darriera etapa importanta de la construccion de la vision actuala dau principi de la conservacion de l'energia. D'efiech, en 1911, lei premierei mesuras d'energia deis electrons emés per aqueu fenomèn presentava un espèctre discrèt. Aquò semblava en contradiccion amb lo principi(en) Carsten Jensen, Controversy and Consensus: Nuclear Beta Decay 1911-1934, Birkhäuser Verlag, 2000.. Aqueu problema èra causat per lei limits dei sabers sus lei mecanismes radioactius. Foguèt explicat en 1933 per Enrico Fermi (1901-1954) qu'introduguèt lo neutrinò per assegurar l'equilibri energetic de la transformacion(en) D. Griffiths, Introduction to Elementary Particles (2nd ed.), 2009, pp. 314–315..

 Lei formas actualas de la conservacion de l'energia 

 Lo premier principi de la termodinamica 

Lo premier principi de la termodinamica exprimís la conservacion de l'energia durant una transformacion termodinamica. Segon eu, durant una transformacion que que siegue d'un sistèma sarrat, la variacion de son energia es egala a la quantitat d'energia escambiada amb lo mitan exterior per transferiment termic (calor) e per transferiment mecanic (trabalh).

 Lo teorèma de Noether 

Formulat en 1918 per la matematiciana Emmy Noether (1882-1935)(de) Emmy Noether, « Invariante Variationsprobleme », Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse, vol. 1918, n° 2,‎ 1918, pp. 235-257., lo teorèma que pòrta son nom exprimís l'equivaléncia entre lei lèis de conservacion e l'invariància dau lagragian d'un sistèma per certanei transformacions, dichas « simetrias », dei coordenadas. Son enonciat precís es a tota transformacion infinitesimala que laissa invarianta l'integrala d'accion correspònd una grandor que se consèrva. Cada « invariància » tradutz lo fach que lei lèis de la fisica càmbian pas quand una experiéncia subís la transformacion que correspònd, e donc, qu'i a pas de referéncia absoluda per menar aquela experiéncia.

 La teoria de la relativitat 

Dins lo quadre de la relativitat especiala, la conservacion de l'energia es exprimida per la famosa eqüacion E = mc2. La relativitat generala compliqua aquela representacion en causa de la necessitat de descriure l'expansion de l'Univèrs. D'efiech, dins aqueu cas, es malaisat de concebre un modèl permetent de mantenir la conservacion de l'energia en plaça. Ansin, uei, de fisicians an de dobtes sus l'existéncia d'un principi de conservacion de l'energia a l'escala d'un Univèrs en expansion. Dins aquò, a l'ora d'ara, ges d'experiéncia permet de contestar son existéncia.

 La mecanica quantica 

En mecanica quantica, l'energia d'un sistèma es descricha per l'operator hamiltonian qu'agís sus l'espaci de Hilbert (ò espaci de foncions d'onda) dau sistèma. Se l'hamiltonian es un operator independent dau temps, la probabilitat d'emergéncia dau resultat de mesura càmbia pas dins lo temps durant l'evolucion dau sistèma. Per consequéncia, la valor mejana de l'energia es egalament independenta dau temps e la conservacion de l'energia locala es assegurada per lo teorèma quantic de Noether.

Pasmens, existís de cas mau comprés onte l'energia d'un sistèma es mesurada inferiora ò superiora a la valor esperada. Aquelei fenomèns s'obsèrvan quand la règla de Born non unitària es aplicada. A l'ora d'ara, doas ipotèsis principalas assaian d'explorar aquelei resultats. D'un caire, de fisicians pensan qu'existís de mecanismes de transferiment d'energia vèrs ò dempuei l'environament macroscopic pendent lo procès de mesura. D'autre caire, d'autrei fisicians pensan que la conservacion a luòc « en mejana »(en) Sean M. Carroll e Jackie Lodman, « Energy Non-conservation in Quantum Mechanics », Foundations of Physics, vol. 51, n° 4, 2021, p. 83.. Coma per lei questions pausadas per la teoria de la relativitat, i a, a l'ora d'ara, ges d'experiéncia que permet confiermar un dei modèls.

 Annèxas 

 Liames intèrnes 
 Accion.
 Energia.
 Energia cinetica.
 Energia mecanica.
 Energia potenciala.
 Fisica.
 Joule.
 Massa.
 Mecanica hamiltoniana.
 Mecanica lagrangiana.
 Mecanica quantica.
 Relativitat especiala.
 Relativitat generala.
 Termodinamica.
 Sistèma.

 Bibliografia 

 (fr) Jean Baudet, Expliquer l'univers : une histoire de la physique depuis 1900, Vuibert, coll. « Culture scientifique », 2008.
 (fr) Thibault Damour, « Relativité générale », dins Alain Aspect, François Bouchet, Éric Brunet et al., Einstein aujourd'hui, EDP Sciences et CNRS, coll. « Savoirs actuels / Physique », 2005.
 (fr) Gérard Serra e Marc Ménétrier, « Les théorèmes de Noether », Bulletin de l'Union des professeurs de physique et de chimie, vol. 103, n° 914,‎ mai de 2009, pp. 549-561.

 Nòtas e referéncias