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Em física definição-energia-trabalho

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  • 1. Em física, a lei ou princípio da conservação de energia estabelece que a quantidade total deenergia em um sistema isolado permanece constante. Uma consequência dessa lei é queenergia não pode ser criada nem destruída: a energia pode apenas transformar-se.O exemplo, da combustão da gasolina dentro de um motor a explosão parte da energiapotencial associada às ligações químicas dos reagentes transforma-se em energia térmica, estadiretamente associada à energia cinética das partículas dos produtos e à temperatura dosistema (que elevam-se de forma substancial). Pelo princípio da conservação da energia aenergia interna do sistema imediatamente antes da explosão é entretanto igual à energiainterna imediatamente após a explosão.Há de se tomar cuidado com o princípio associado à conservação da energia no que se refereao escopo de sua aplicação. Em seu sentido mais abrangente a conservação da energia implicaque se tenha como parcela na energia total do sistema, em acordo com o princípio daequivalência entre massa e energia, um termo associado à massa deste sistema. Neste casomassa 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 nãorelacionadas, e nestas condições a lei da conservação da energia degenera-se em duas leisclássicas: a lei da conservação da energia em seu sentido não o mais abrangente, e a lei daconservação de massas.HistóriaFilósofos da Antiguidade, desde Thales de Mileto, já tinham suspeitas a respeito daconservação de alguma substância fundamental da qual tudo é feito. Porém, não existenenhuma 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 conversãocontínua de energia potencial em energia cinética e vice-versa, garantida que a totalidade dasoma destas duas - a qual dá-se o nome de energia mecânica do sistema - permaneça sempreconstante. Porém, Galileu não mencionou o processo usando as ideias modernas de energia, enão pode ser creditado pelo estabelecimento desta lei.Foi Gottfried Wilhelm Leibniz durante 1676–1689 quem primeiro tentou realizar umaformulação matemática do tipo de energia associada ao movimento (energia cinética). Leibnizpercebeu que em vários sistemas mecânicos (de várias massas, mi cada qual velocidade vi ),era conservada enquanto as massas não interagissem. Ele chamou essa quantidade de vis vivaou força viva do sistema.
  • 2. O princípio representa uma afirmação acurada da conservação de energia cinética emsituações em que não há atrito. Muitos físicos naquele tempo consideravam que aconservação de momento, que é válida mesmo em sistemas com presença de atrito, comodefinido pelo momento:era a vis viva. Foi demonstrado mais tarde, que sob certas condições, ambas as quantidadessão conservadas simultaneamente, como em colisões elásticas.Engenheiros, tais como John Smeaton, Peter Ewart, Karl Hotzmann, Gustave-Adolphe Hirn eMarc Seguin objetaram que a conservação de momento sozinha não era adequada paracálculos práticos, e faziam uso do princípio de Leibniz. O princípio foi também defendido poralguns químicos, tais como William Hyde Wollaston. Acadêmicos, tais como John Playfairrapidamente apontaram que a energia cinética claramente não era conservada. Osfundamentos desta não conservação são óbvios em vista de uma análise moderna baseada nasegunda lei da termodinâmica, mas nos séculos XVIII e XIX o destino da energia cinéticaperdida ainda era desconhecido. Gradualmente foi-se suspeitando que o calor oriundo doaumento de temperatura inevitavelmente gerado pelo movimento sob atrito era outra formade vis viva. Em 1783, Antoine Lavoisier e Pierre-Simon Laplace revisaram as duas teoriascorrentes, a vis viva e teoria do calórico (ou flogisto), o que, junto com as observações deConde Rumford em 1798 sobre a geração de calor durante perfuração de metal para afabricação de canhões (em um processo chamado alesagem), adicionaram considerável apoioà visão de que havia nítida correlação entre a variação no movimento mecânico e o calorproduzido, de que a conservação era quantitativa e podia ser predita, e que era possível oestabelecimento de uma grandeza que se conservaria no processo de conversão demovimento em calor. A vis viva começou a ser conhecida como energia, depois do termo serusado pela primeira vez com esse sentido por Thomas Young em 1807.A recalibração da vis viva para o que pode ser entendido como encontrar o valor exato daconstante para a conversão de energia cinética em trabalho foi em grande parte o resultadodo 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 osegundo de travail mécanique (trabalho mecânico), e ambos defenderam seu uso para cálculosde engenharia.No artigo Über die Natur der Wärme, publicado no Zeitschrift für Physik em 1837, KarlFriedrich Mohr deu uma das primeiras declarações gerais do princípio da conservação deenergia, nas palavras: "além dos 54 elementos químicos conhecidos, há no mundo um agenteúnico, e se chama Kraft [energia ou trabalho]. Ele pode aparecer, de acordo com ascircunstâncias, como movimento, afinidade química, coesão, eletricidade, luz e magnetismo; ea 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
  • 3. demonstração do equivalente mecânico do calor. A teoria do calórico afirmava que o calor nãopodia ser criado nem destruído, mas a conservação de energia implica algo contraditório a estaideia: calor e o movimento mecânico são intercambiáveis.O princípio do equivalente mecânico foi exposto na sua forma moderna pela primeira vez pelocirurgião alemão Julius Robert von Mayer. Mayer chegou a sua conclusão em uma viagem paraas Índias Orientais Neerlandesas, onde ele descobriu que o sangue de seus pacientes possuíauma cor vermelha mais profundo devido a eles consumirem menos oxigénio, e tambémconsumiam menos energia para manterem a temperatura de seus corpos em um clima maisquente. Ele tinha descoberto que calor e trabalho mecânico eram ambos formas de energia, eapós melhorar seus conhecimentos de física, ele encontrou uma relação quantitativa entreelas.Aparato de Joule para a medição do equivalente mecânico do calor. Um peso descendentepreso a uma corda causa uma rotação numa pá imersa em água.Entretanto, em 1843 JamesPrescott Joule descobriu de forma independente o equivalente mecânico do calor em umasérie de experimentos. No mais famoso, agora chamado "aparato de Joule", um pesodescendente preso a uma corda causava a rotação de uma pá imersa em água. Ele mostrouque a energia potencial gravitacional perdida pelo peso no movimento descendente era igual àenergia térmica (calor) ganha pela água por fricção com a pá.Durante o período entre 1840 e 1843 um trabalho similar foi efetuado pelo engenheiro LudwigA. 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 eforam, 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 ereconhecimento. 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 ofPhysical Forces" (A Correlação de Forças Físicas).[2] Em 1847, aperfeiçoando o trabalhoanterior de Joule, Sadi Carnot, Émile Clapeyron e Hermann von Helmholtz chegaram aconclusões similares às de Grove e publicaram suas teorias em seu livro "Über die Erhaltungder Kraft" ("Sobre a Conservação de Força", 1847). A aceitação moderna geral do princípiodecorre dessa publicação. Em 1877, Peter Guthrie Tait afirmou que o princípio surgiu com SirIsaac Newton, baseado numa leitura criativa das proposições 40 e 41 de "PhilosophiaeNaturalis Principia Mathematica". Isso é agora geralmente tratado como nada mais do que umexemplo de história "Whig".Mecânica
  • 4. Na 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 e e onde L é a função lagrangeana. Para esta forma particular ser válida, o seguinte deve serverdadeiro:O sistema é scleronomous (tanto energia cinética quanto a potencial são funções explícitas dotempo). A energia cinética é uma forma quadrática em relação às velocidades. A energiapotencial não dependa das velocidades.Teorema de NoetherA conservação de energia é uma característica comum em muitas teorias físicas. De um pontode vista matemático, é entendida como uma consequência do teorema de Noether, queafirma que toda simetria de uma teoria física tem, a ela associada, uma quantidadeconservativa; se essa simetria tem independência temporal, então a quantidade conservada échamada de "energia". A Lei de Conservação de Energia é consequência da simetria do temponos fenómenos físicos; a conservação de energia é comprovada através do fato empírico deque as leis da física não se modificam com o tempo. Filosoficamente, isso pode estabelecerque "Nada depende do tempo, por si só".RelatividadeCom o advento da teoria da relatividade especial de Albert Einstein, a energia tornou-se umcomponente da energia-momento quadrivetorial. Cada um dos quatro componentes (um deenergia e três de momento linear), deste vetor, sendo que cada componente representa umadimensão no espaço-tempo, é conservado separadamente em qualquer referencial inercialdado. Também é conservado o comprimento do vetor (norma de Minkowski), que é a massade repouso. A energia relativística de uma partícula massiva contém um termo relacionado àsua massa de repouso, além de sua energia cinética linear. No limite de energia cinética zero(ou equivalentemente no referencial de repouso da partícula massiva, ou o centro demomento linear para objetos ou sistemas), a energia total da partícula ou objeto (incluindo aenergia cinética em sistemas internos) está relacionada a sua massa de repouso através dafamosa equação E = mc². Assim, a regra da conservação da energia na relatividade especialmostrou-se um caso especial de uma regra mais geral, também conhecida como a conservaçãode massa e energia, a conservação da massa-energia, a conservação de energia-momento, aconservação da massa invariante ou apenas referida apenas como conservação da energia.Na relatividade geral, a conservação de energia-momento é expressa com o auxílio dopseudotensor de Landau-Lifshitz