Lei De Conservação de Energia
Autor: FísicArte. | Publicado: 2010-10-26T09:10:00-07:00

<?xml:namespace prefix = o />Lei da conservação de energiaEm física, a lei ou princípio da conservação de energia estabelece que a quantidade total de energia em um sistema isolado permanece constante. Uma consequência dessa lei é que energia não pode ser criada nem destruída: a energia pode apenas transformar-se. A exemplo, na combustão da gasolina dentro de um motor a explosão parte da energia potencial associada às ligações químicas dos reagentes transforma-se em energia térmica, esta diretamente associada à energia cinética das partículas dos produtos e à temperatura do sistema (que elevam-se de forma substancial). Pelo princípio da conservação da energia a energia interna do sistema imediatamente antes da explosão é entretanto igual à energia interna imediatamente após a explosão.Há de se tomar cuidado com o princípio associado à conservação da energia no que se refere ao escopo de sua aplicação. Em seu sentido mais abrangente a conservação da energia implica que se tenha como parcela na energia total do sistema, em acordo com o princípio da equivalência entre massa e energia, uma termo associado à massa deste sistema. Neste caso massa é tratada como se energia fosse, e não há lei de conservação de massa para o sistema, apenas a lei da conservação da energia em seu sentido mais abrangente.Quando no âmbito da física clássica, entretanto, massa e energia são entidades distintas e não relacionadas, e nestas condições a lei da conservação da energia degenera-se em duas leis clássicas: a lei da conservação da energia em seu sentido não o mais abrangente, e a lei da conservação de massas.Filósofos da Antiguidade, desde Thales de Mileto, já tinham suspeitas a respeito da conservação de alguma substância fundamental da qual tudo é feito. Porém, não existe nenhuma razão particular para relacionar isso com o que conhecemos hoje como "massa-energia". A saber Thales pensou que a substância era a água.Em 1638, Galileu publicou sua análise de diversas situações -incluindo a célebre análise do "pêndulo-ininterrúpto" - que pode ser descrita, em linguagem moderna, mediante a conversão contínua de energia potencial em energia cinética e vice-versa, garantida que a totalidade da soma destas duas - a qual dá-se o nome de energia mecânica do sistema - permaneça sempre constante. Porém, Galileu não mencionou o processo usando as idéias modernas de energia, e não pode ser creditado pelo estabelecimento desta lei.Foi Gottfried Wilhelm Leibniz durante 1676–1689 quem primeiro tentou realizar uma formulação matemática do tipo de energia associada ao movimento (energia cinética). Leibniz percebeu que em vários sistemas mecânicos (de várias massas, mi cada qual velocidade vi ),<?xml:namespace prefix = v /><!--[if !vml]--><!--[endif]-->era conservada enquanto as massas não interagissem. Ele chamou essa quantidade de vis viva ou força viva do sistema. O princípio representa uma afirmação acurada da conservação de energia cinética em situações em que não há atrito. Muitos físicos naquele tempo consideravam que a conservação de momento, que é válida mesmo em sistemas com presença de atrito, como definido pelo momento:<!--[if !vml]--><!--[endif]-->era a vis viva. Foi demonstrado mais tarde, que sob certas condições, ambas as quantidades são conservadas simultaneamente, como em colisões elásticas.Engenheiros, tais como John Smeaton, Peter Ewart, Karl Hotzmann, Gustave-Adolphe Hirn e Marc Seguin objetaram que a conservação de momento sozinha não era adequada para cálculos práticos, e faziam uso do princípio de Leibniz. O princípio foi também defendido por alguns químicos, tais como William Hyde Wollaston. Acadêmicos, tais como John Playfair rapidamente apontaram que a energia cinética claramente não era conservada. Os fundamentos desta não conservação são óbvios em vista de uma análise moderna baseada na segunda lei da termodinâmica, mas nos séculos XVIII e XIX o destino da energia cinética perdida ainda era desconhecido. Gradualmente foi-se suspeitando que o calor oriundo do aumento de temperatura inevitavelmente gerado pelo movimento sob atrito era outra forma de vis viva. Em 1783, Antoine Lavoisier e Pierre-Simon Laplace revisaram as duas teorias correntes, a vis viva e teoria do calórico (ou flogisto), o que, junto com as observações de Conde Rumford em 1798 sobre a geração de calor durante perfuração de metal para a fabricação de canhões (em um processo chamado alesagem), adicionaram considerável apoio à visão de que havia nítida correlação entre a variação no movimento mecânico e o calor produzido, de que a conservação era quantitativa e podia ser predita, e que era possível o estabelecimento de uma grandeza que se conservaria no processo de conversão de movimento em calor.A vis viva começou a ser conhecida como energia, depois do termo ser usado pela primeira vez com esse sentido por Thomas Young em 1807.A recalibração da vis viva para<!--[if !vml]--><!--[endif]-->o que pode ser entendido como encontrar o valor exato da constante para a conversão de energia cinética em trabalho foi em grande parte o resultado do trabalho de Gustave-Gaspard Coriolis e Jean-Victor Poncelet durante o período de 1819–1839. O primeiro chamou a quantidade de quantité de travail (quantidade de trabalho) e o segundo de travail mécanique (trabalho mecânico), e ambos defenderam seu uso para cálculos de engenharia.No artigo Über die Natur der Wärme, publicado no Zeitschrift für Physik em 1837, Karl Friedrich Mohr deu uma das primeiras declarações gerais do princípio da conservação de energia, nas palavras: "além dos 54 elementos químicos conhecidos, há no mundo um agente único, e se chama Kraft [energia ou trabalho]. Ele pode aparecer, de acordo com as circunstâncias, como movimento, afinidade química, coesão, eletricidade, luz e magnetismo; e a partir de qualquer uma destas formas, pode ser transformado em qualquer um dos outros."Uma etapa fundamental no desenvolvimento do moderno princípio conservação foi a demonstração do equivalente mecânico do calor. A teoria do calórico afirmava que o calor não podia ser criado nem destruído, mas a conservação de energia implica algo contraditório a esta ideia: calor e o movimento mecânico são intercambiáveis.O princípio do equivalente mecânico foi exposto na sua forma moderna pela primeira vez pelo cirurgião alemão Julius Robert von Mayer.[1] Mayer chegou a sua conclusão em uma viagem para as Índias Orientais Neerlandesas, onde ele descobriu que o sangue de seus pacientes possuía uma cor vermelha mais profundo devido a eles consumirem menos oxigênio, e também consumiam menos energia para manterem a temperatura de seus corpos em um clima mais quente. Ele tinha descoberto que calor e trabalho mecânico eram ambos formas de energia, e após melhorar seus conhecimentos de física, ele encontrou uma relação quantitativa entre elas.<!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]-->Aparato de Joule para a medição do equivalente mecânico do calor. Um peso descendente preso a uma corda causa uma rotação numa pá imersa em água.Entretanto, em 1843 James Prescott Joule descobriu de forma independente o equivalente mecânico do calor em uma série de experimentos. No mais famoso, agora chamado "aparato de Joule", um peso descendente preso a uma corda causava a rotação de uma pá imersa em água. Ele mostrou que a energia potencial gravitacional perdida pelo peso no movimento descendente era igual à energia térmica (calor) ganha pela água por fricção com a pá.Durante o período entre 1840 e 1843 um trabalho similar foi efetuado pelo engenheiro Ludwig A. Colding, embora este tenha sido pouco conhecido fora de sua nativa Dinamarca.Tanto o trabalho de Joule quanto o de Mayer sofreram inicialmente forte resistência e foram, quando apresentados, por muitos negligenciados. No decorrer da história, entretanto, a ideia foi aceita e o trabalho de Joule foi o que acabou por conquistar o maior fama e reconhecimento.Em 1844, William Robert Grove postulou uma relação entre mecânica, calor, luz, electricidade e magnetismo tratando todas elas como manifestação de uma "única" força ("energia" em termos modernos). Grove publicou suas teorias em seu livro "The Correlation of Physical Forces" (A Correlação de Forças Físicas).[2] Em 1847, aperfeiçoando o trabalho anterior de Joule, Sadi Carnot, Émile Clapeyron e Hermann von Helmholtz chegaram a conclusões similares às de Grove e publicaram suas teorias em seu livro "Über die Erhaltung der Kraft" ("Sobre a Conservação de Força", 1847). A aceitação moderna geral do princípio decorre dessa publicação.Em 1877, Peter Guthrie Tait afirmou que o princípio surgiu com Sir Isaac Newton, baseado numa leitura criativa das proposições 40 e 41 de "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica". Isso é agora geralmente tratado como nada mais do que um exemplo de história "Whig".MecânicaNa mecânica clássica a conservação de energia é normalmente dada porE = T + V,onde T é a energia cinética e V a energia potencial.Na verdade este é o caso particular da lei de conservação mais geral<!--[if !vml]--><!--[endif]-->e <!--[if !vml]--><!--[endif]-->onde L é a função lagrangeana. Para esta forma particular ser válida, o seguinte deve ser verdadeiro:O sistema é scleronomous (tanto energia cinética quanto a potencial são funções explícitas do tempo)A energia cinética é uma forma quadrática em relação às velocidades.A energia potencial não dependa das velocidades.Teorema de NoetherTeorema de NoetherA conservação de energia é uma característica comum em muitas teorias físicas. De um ponto de vista matemático, é entendida como uma consequência do teorema de Noether, que afirma que toda simetria de uma teoria física tem, a ela associada, uma quantidade conservativa; se essa simetria tem independência temporal, então a quantidade conservada é chamada de "energia".A Lei de Conservação de Energia é consequência da simetria do tempo nos fenômenos físicos; a conservação de energia é comprovada através do fato empírico de que as leis da física não se modificam com o tempo. Filosoficamente, isso pode estabelecer que "Nada depende do tempo, por si só". Em outras palavras, if the theory is invariant under the continuous symmetry of time translation then its energy (which is canonical conjugate quantidade por tempo) is conserved. Conversely, theories which are not invariant under shifts in time (for example, systems with time dependent potential energy) do not exhibit conservation of energy – unless we consider them to exchange energy with another, external system so that the theory of the enlarged system becomes time invariant again. Since any time-varying theory can be embedded within a time-invariant meta-theory energy conservation can always be recovered by a suitable re-definition of what energy is. Thus conservation of energy for finite systems is valid in all modern physical theories, such as special and general relativity[carece de fontes?] and quantum theory (including QED).Teoria quânticaEm mecânica quântica, a energia é definida como proporcional aotempo derivado da função de onda. falta de comutatividade do tempo operador derivativo para o mesmo tempo de operador matematicamente resulta em um princípio da incerteza por tempo e energia: o mais longo periodo de tempo, mais precisamente energia pode ser definida (energia e tempo se tornamconjuges Fourier pair).