Energiaren kontserbazioaren printzipioa

Fisikan, energiaren kontserbazio-printzipioak dio sistema fisiko isolatu baten energia osoa ez dela denborarekin aldatzen, nahiz eta beste mota beteko energia bihur daitekeen. Sistema fisiko isolatua deritzogu beste sistema fisikoekin inolako interakziorik ez duena. Laburki esanda, energiaren kontserbazio-printzipioak dio sistema isolaturaren energia ezin dela sortu ezta deuseztatu ere. Dena den, eraldatu egin daiteke; esate baterako, energia kimikoa energia zinetiko bihur daiteke dinamitak eztanda egitean.

Mekanika klasikoaren ereduan, masaren kontserbazioak ez zuen energiaren kontserbazioarekin zerikusirik; baina, erlatibitate bereziak erakutsi zuen masa energia bihur zitekeela, baita alderantziz ere, energia masa izatera pasatu. Horregatik, gaur egun masa-energiaren kontserbazio-printzipioaz hitz egiten da. Bestalde, Termodinamikaren lehen legea energiaren kontserbazio-printzipioaren baliokidea dela esan daiteke.

Historia

Antzinako filosofoek, haien artean Thales Miletokoak (K.a. 550 inguruan), susmoa zuten funtsezko substantzia batek gauza guztiak eratzen zituela. Hala ere, haien susmoetan ez zegoen gaur egungo masa-energia bezalako azalpenik. Kasurako, Thalesen ustez, dena urez osatuta zegoen; Enpedoklesek (K.a. 490-430), ostera, lau sustraiei (lurra, airea, ura eta sua) buruz hitz egiten zuen.

Errenazimentuaren garaietan, 1638. urtean, Galileo Galileik hainbat egoeraren analisiak publikatu zituen, haien artean “etendutako pendulua” zeritzonarena, bertan energia potentziala energia zinetiko nola bihurtzen zen deskribatuz, baita alderantzizko transformazioa ere.

Mende berean, 1669. urtean, Christiaan Huygensek talkaren legeak argitaratu zituen. Bertan adierazi zuen ezen, bi objekturen arteko talkaren ondoren, haien momentu linealen eta energia zinetikoen baturak ez zirela aldatzen talkaren aurretiko balioekin konparatuz. Hala ere, ez zuen talka elastikoen eta inelastikoen arteko desberdintasunik aipatu.

Energia magnitude eskalarra eta momentu lineala magnitude bektoriala izateak Leibnizen arreta piztu zuen. Gai hori aztertuz, 1676-1689 urteetan, Leibniz higidurarekin lotutako energiaren formulazio matematikoa egiten saiatu zen Huygensen talkei buruzko lanetan oinarrituz, eta formula hau proposatu zuen energia kontzeptua kuantifikatzeko: $E=\sum _{i}m_{i}{v_{i}}^{2}$ . Kontzeptu horri vis viva izena eman zion Leibnizek, latinez; alegia, "indar bizia". Eta era horretan marruskadura edo frikziorik ez duten sistemen energia zinetikoa adierazteko lehenengo hurbilketa bat egin zuen.

Hurrengo mendean sarturik, 1738. urtean Daniel Bernoullik Hydrodynamica lanean uraren jarioan vis vivaren galera aztertu zuen, geroago Bernoulliren printzipioa izenaz ezagutuko zena. Bernouilliren printzipioak vis vivaren galera eta presio hidrodinamikoaren aldaketa lotzen zituen. Bestalde, Émilie du Châteletek (1706 – 1749) energia osoaren kontserbazioaren lehen hipotesia proposatu zuen. Garai bertsuan, Leibnizen lanetan oinarrituta, Willem‘s Gravesanderen 1722ko esperimentua errepikatu zuen eta emaitzak aztertu zituen. Lan horren aurretik, uste zen, energia eta momentu lineala lotuta zeudela, eta beraz, energia abiaduraren proportzionala zela.

Urteak pasa ahala vis viva izena indarra galtzen joan zen eta 1807. urtean Thomas Youngek energia izena erabiltzen hasi zen. Geroago, 1819-1839 urteen artean Gaspard-Gustave Coriolisek eta Jean-Victor Ponceletek egindako lanen ondorioz, energia zinetikoa lan bihurtzeko gaitasun modura uler zitekeen vis vivaren kalibrazio egin zuten, eta gaur egungo energia zinetikoaren adierazpena zehaztu ahal izan zuten: $E_{\text{k}}={\frac {1}{2}}mv^{2}$ . Behin adierazpen hori finkatu ondoren, laster zehaztu zen energia mekanikoaren kontserbazioaren kontzeptua, horretarako higiduraren energiari grabitazio-eremuan izandako altueragatik zegokion energia potentziala gehituz, aspaldi konturatuta baitzeuden gorputzen jauskeran hasierako altueraren eta amairako abiaduraren arteko erlazioaz.

Beroaren baliokide mekanikoa

Energiaren izaera ulertzeko beste pauso garrantzitsu bat izan zen beroaren eta energia mekanikoaren arteko baliokidetza ulertzea. Jadanik 1797an, Benjamin Thompsonek (Rumfordeko kondea) kanoietan marruskaduraren kasuaz sorturiko beroaz egin zuen lan. Hark eginiko esperimentuen ideiak inspiratu zuen James Prescott Jouleren lana 1840 hamarkadan, neurketa zehatzak eginez energia zinetikoaren eta beroaren arteko erlazioa aztertzeko. Beroa eta lana (fisikako lan kontzeptua) baliokideak zirelako ideia Juilus Robert von Mayer-ek proposatu zuen lehenik 1842an, baina Joule-k argitaratu zuen 1845ean «The Mechanical Equivalent of Heat» (beroaren baliokide mekanikoa) izeneko artikulu zientifikoa, zeinean zehaztu baitzuen zenbat energia mekaniko behar zen bero-unitate bat sortzeko.

Termodinamikaren lehen printzipioa^[1]

Sistema termodinamiko bat aintzat hartzen badugu, eta positibotzat hartzen baditugu sistemaren gainean egindako lana eta sistemak xurga dezakeen beroa, honelaxe adieraz daiteke termodinamikaren lehen printzipioa: sistemaren barne-energiaren aldakuntza eta sistemaren limiteetan zehar trukatu den beroaren eta lanaren batura elkarren berdinak dira.

Sistema termodinamiko bat hasierako egoeratik bukaerako egoerara pasatzeko egindako lana edo transferitutako beroa bitarteko egoeren araberakoak izan daitezkeen arren, bien arteko baturak hasierako eta bukaerako egoeren mendekotasuna baino ez du. Analitikoki, honela adieraz daiteke:

$\Delta {U}=U_{2}-U_{1}=Q+W$

non $U_{2}$ eta $U_{1}$ bukaerako eta hasierako barne-energiak diren, eta $Q$ eta $W$ sistemak trukatutako beroa eta lana, hurrenez hurren. Adierazpen hori termodinamikaren lehen printzipioaren adierazpen analitiko da.

Energia osoaren kontserbazioaren printzipioa fisika klasikoan

Energia osoaren kontserbazioaren legearen arabera, sistema itxi edo isolatu batean dauden eta elkarri eragiten dioten gorputzen edo partikulen energia-mota guztien baturak konstante dirau denboran zehar. Beraz, sistema isolatuan, energia gorputzen artean truka daiteke edo forma batetik bestera pasa daiteke, baina energia ezin da ez sortu ez eta deuseztatu ere.

Hala, sistema isolatu baten bi egoeraren arteko energia-aldakuntza aztertzean, sistemaren energia-forma guztiak hartu behar ditugu kontuan:

Energia zinetikoa: abiadura jakin batean higitzen den masa batek duen energia da.

Energia potentziala: grabitazio-eremu baten eraginpean dagoen masa batek duen energia da.

Barne-energia: materia osatzen duten osagai mikroskopikoen (atomoen eta molekulen) energia da. Atomoen eta molekulen ausazko translazio-, errotazio-, eta bibrazio-higidurari lotutako energia zinetikoaren eta potentzialaren, eta molekulen arteko elkarrekintzak eragindako energia potentzialaren batura da.

Lana: gorputz batetik bestera energia igarotzeko modu bat da. Mekanikaren arloan erabiltzen den definizioaren arabera, distantzia batean zehar indar batek garatzen duen energia da lana.