Quali sono le leggi dell'energia?
Le leggi dell'energia che governano le interazioni tra materia ed energia, come il trasferimento di calore da un corpo all'altro nell'universo fisico, sono fondamentalmente definite dalle tre leggi della termodinamica e dalla scoperta di Albert Einstein delle sue teorie speciali e generali della relatività . La fisica stessa si basa su queste leggi, nonché sulle tre leggi di base del movimento definite da Isaac Newton e pubblicate per la prima volta nel 1687, che spiegano l'interazione di tutta la materia. Il campo della meccanica quantistica che iniziò ad emergere all'inizio del XX secolo chiarì anche circostanze speciali per le leggi dell'energia su scala subatomica, su cui si fonda gran parte della civiltà moderna a partire dal 2011.
Uno dei principi fondamentali delle leggi dell'energia chiarite dalla prima legge della termodinamica è che l'energia non viene né creata né distrutta. Tutte le forme di energia come la luce o l'energia sonora possono essere cambiate in altre forme, e questo fu rivelato per la prima volta a metà del 1800 dal lavoro di James Joule, un fisico inglese pionieristico dopo il quale l'unità di base dell'energia, il joule, era di nome. Dopo dieci anni di riflessione sulla natura della relazione tra materia ed energia, Albert Einstein pubblicò la sua famosa formula nel 1905 di E = MC 2 , che affermava che sia la materia che l'energia erano versioni della stessa cosa e potevano essere cambiate l'una nell'altra anche. Poiché l'equazione afferma che l'energia (E) è uguale alla massa (M) per la velocità della luce al quadrato (C 2 ), in realtà stava affermando che, se avessi abbastanza energia, potresti convertirla in massa e, se avessi accelerato la massa abbastanza, potresti convertirlo in energia.
La seconda legge della termodinamica definiva le leggi dell'energia affermando che, in qualsiasi attività in cui l'energia veniva utilizzata, il suo potenziale diminuiva o diventava sempre meno disponibile per ulteriori lavori. Ciò rifletteva il principio dell'entropia e spiegava dove andava l'energia quando il calore o la luce sfuggivano all'ambiente circostante, che aveva confuso l'umanità per secoli. L'entropia è l'idea che alti livelli di energia concentrata, come quella presente nel carburante prima che venga bruciata, alla fine si diffondono nello spazio come calore residuo e non possono essere recuperati. Era in armonia con la prima legge della termodinamica perché l'energia non veniva distrutta, ma si perdeva l'accesso ad essa.
La terza legge della termodinamica fu chiarita nel 1906 da una ricerca condotta da Walther Nernst, un chimico tedesco. Rivelò che era impossibile creare una regione di spazio o materia in cui esistesse energia zero, che raffreddasse la regione alla temperatura più bassa possibile di zero assoluto. Ciò ha sostenuto la prima e la seconda legge della termodinamica in quanto l'energia sarebbe sempre disponibile nello spazio o nella materia in una certa misura, anche se non potrebbe essere sfruttata per un lavoro utile.
Gli aggiornamenti di Einstein sulla nostra comprensione delle leggi dell'energia hanno reso possibili molte tecnologie moderne, come l'energia nucleare. Inoltre, le leggi del movimento di Newton hanno mostrato a scienziati e ingegneri come sfruttare la relazione tra materia ed energia per generare la forza e la traiettoria necessarie per mettere in orbita i satelliti o inviare sonde spaziali ai pianeti vicini. La meccanica quantistica ha contribuito alla comprensione di come l'energia viene utilizzata e trasferita per creare tecnologia come laser, transistor che sono alla base di tutti i sistemi informatici e apparecchiature mediche avanzate come la risonanza magnetica (MRI).