Ενέργεια δεν είναι η ικανότητα παραγωγής έργου
Ενέργεια δεν είναι η ικανότητα παραγωγής έργου
Είναι σχεδόν αξιωματικό οποτεδήποτε ένας καθηγητής θετικών επιστημών εισάγει ένα νέο τεχνικό όρο, πρέπει και να τον ορίσει. Σε ορισμένες ωστόσο περιπτώσεις θα ήταν καλύτερο να αποφύγει αυτή την συνήθως αξιέπαινη πρακτική.
Τον Μάρτιο του 1971, αναζητήθηκαν οι ορισμοί της ενέργειας σε καθένα από δώδεκα βιβλία προορισμένα να χρησιμοποιηθούν από μαθητές λυκείου1 .
Σε οκτώ από αυτά τα βιβλία βρέθηκε είτε στην ορολογία είτε στο κυρίως κείμενο, ένα σύντομο, συνοπτικό ορισμό: Πέντε βιβλία αναφέρουν στο μαθητή ότι η ενέργεια είναι η ικανότητα παραγωγής έργου, τα άλλα τρία αντικαθιστούν την ικανότητα με την δυνατότητα, προφανώς με την υπόθεση ότι η λέξη που έχει υπαινιγμό ποσοτικοποίησης ενισχύει την χρησιμότητα του ορισμού. Τα άλλα τέσσερα βιβλία απέφυγαν να δώσουν ένα ορισμό, αλλά προσπάθησαν να αναπτύξουν μια βαθύτερη κατανόηση των φυσικών διεργασιών που παίρνουν μέρος.
Κατά την γνώμη μου, ο ορισμός της ενέργειας σαν «ικανότητα ή δυνατότητα παραγωγής έργου» υποφέρει από τρία βασικά ελαττώματα:
1.Είναι τόσο κενός περιεχομένου που φαίνεται να είναι σχεδιασμένος για εύκολη απομνημόνευση παρά για να βοηθήσει στην κατανόηση.
2.Νοθεύει, σε μεγάλο βαθμό, την φύση του σοβαρού κοινωνικού προβλήματος της διαθεσιμότητας των πηγών ενέργειας.
- Δεν είναι αληθινός.
Γιατί υπάρχει η ενέργεια; Μπορεί αυτή να ακούγεται σαν μια ανόητη ερώτηση, αλλά δεν μοιάζει καθόλου με την ερώτηση, για παράδειγμα «γιατί υπάρχουν τα δέντρα;».
Κανείς δεν βλέπει ή δεν αισθάνεται την ενέργεια. Μπορείς να ανιχνεύσεις2 άμεσα και αισθητηριακά ορισμένες παραμέτρους σχετικές με την ποσότητα που ονομάζουμε ενέργεια : μάζα, θερμοκρασία, ταχύτητα, σχήμα, φάση (κατάσταση), θέση, χημική σύσταση, διαχωρισμός ηλεκτρικών φορτίων, και άλλα. Αλλά τίποτα από αυτά δεν είναι η ενέργεια.
Προσδιορίζουμε την ενέργεια δημιουργώντας συνδυασμούς από αυτές τις παραμέτρους σύμφωνα με ένα σταθερό σετ αλγεβρικών παραστάσεων3 : m∙g∙h, ½ ∙m∙υ2, c∙m∙ΔT, kc∙q∙q΄ / r, και άλλες. Η κάθε αλγεβρική παράσταση εφαρμόζεται στο κατάλληλο φυσικό σύστημα, οδηγεί σε μια αριθμητική τιμή που έχει τις ίδιες μονάδες με το έργο.
Οι σχέσεις (εξισώσεις) είναι ανθρώπινες επινοήσεις. Κανείς δεν κουβάλησε πλάκες στη κορυφή του βουνού, για να χαραχθούν πάνω στις πλάκες , από κεραυνούς, οι φόρμουλες (σ.τ.μ. εννοεί κανείς δεν έδωσε τις εξισώσεις, όπως ο θεός τις δέκα εντολές στο Μωυσή). Δίνοντας ένα διαφορετικό σετ από ορισμούς στις φυσικές ποσότητες, μπορεί να προκύψει ένα τελείως διαφορετικό σετ από φόρμουλες, το ίδιο καλές όσο αυτές που ήδη έχουμε. Αυτό που πραγματικά ρωτάμε είναι αυτό: Γιατί οι άνθρωποι επινόησαν αυτές τις φόρμουλες ;
Κάθε μία από αυτές τις φόρμουλες απορρέει από προσπάθειες των φυσικών να συνθέσουν να σχηματίσουν μια ευρεία γενίκευση που θα ενοποιήσει μια μεγάλη ποικιλία φαινομένων κάτω από μια ρουμπρίκα – επικεφαλίδα . Πολλές, μεταξύ τους διαφορετικές, εννοιακές κλωστές συνδυάστηκαν για να δημιουργήσουν ένα νήμα με το οποίο θα συνυφαίνονται οι εμπειρικές παρατηρήσεις και ο φιλοσοφικός στοχασμός. Η έννοια ενέργεια τελικά συνδέει αυτά τα νήματα σε ένα περίτεχνα διαμορφωμένο δίκτυο.
Πολλά νήματα βρέθηκαν στον ιστό της θεωρίας της ενέργειας, αλλά τέσσερα από αυτά ξεχώρισαν σαν τα πιο σημαντικά: η θεωρία της μηχανικής, η θεωρία της τεχνολογίας των μηχανών και των κινητήρων, η θεωρία της θερμότητας και η θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού.
Από το 1750, ένας νόμος διατήρησης διαφόρων μεγεθών είχε ήδη αναδυθεί από τις μελέτες των φυσικών (ειδικευμένων στις μαθηματικές μεθόδους στη φυσική) και ήταν ευρέως αποδεκτός. Η βάση της θεωρίας είχε ορισθεί από τον Gottfried Wilhelm Leibniz το 1686. Αυτός πρότεινε ότι στο σύμπαν υπάρχει μια πεπερασμένη ποσότητα «δύναμης». Αυτή μπορεί να πάρει τη μορφή της vis viva (ζωντανή δύναμη) σε αντικείμενα που βρίσκονται σε κίνηση. Ή να πάρει τη μορφή vis mortua (νεκρή δύναμη) όταν το αντικείμενο είναι σε αδράνεια ή όταν έχει υποστεί αλλαγές σε παραμέτρους, όπως στη θέση του ή παραμορφώνεται, με αποτέλεσμα να έχει την δυνατότητα να παράγει vis viva. Η συνεισφορά του Christiaan Huygens σε αυτή τη θεωρία ήταν ότι η vis viva διατηρείτε στις κρούσεις.
Το «ποιες ήταν οι διαστάσεις» της διατηρούμενης «δύναμης» ήταν το καυτό θέμα του 17ου αιώνα. Η μεγάλη συνεισφορά του Leibniz ήταν η πρότασή του ότι ο σωστός τρόπος μέτρησης της vis viva είναι το αποτέλεσμα του βάρους επί το τετράγωνο της ταχύτητας. Είχε οδηγηθεί σε αυτό το συμπέρασμα παρατηρώντας ότι σε ένα αντικείμενο που χτυπάει στο έδαφος, το τετράγωνο της ταχύτητάς του είναι ανάλογο της απόστασης που έχει διανύσει πέφτοντας. Το 1717 ο John4 Jonhann Bernoulli πρότεινε τον όρο ενέργεια για αυτή τη διατηρούμενη ποσότητα (δύναμης). Η διατήρηση της ενέργειας έγινε ένας αποδεκτός νόμος, αν και εφαρμόστηκε μόνο στη μηχανική ενέργεια σε μη ανοιχτά5 διατηρητικά θερμοδυναμικά συστήματα. Επιπλέον απουσίαζε από τον νόμο η ακριβής αλγεβρική έκφραση.
Η μαθηματική διατύπωση της έννοιας της ενέργειας ήταν αποτέλεσμα των αναγκών των μηχανικών στην αρχή της βιομηχανικής επανάστασης. Χρειάζονταν τρόπους να συγκρίνουν την απόδοση των νερόμυλων, των ζώων, των ατμομηχανών και των ηλεκτρικών μοτέρ. Έγινε κοινή πρακτική στη μηχανική η μέτρηση του αποτελέσματος μιας μηχανής σαν το γινόμενο της ανύψωσης του βάρους ενός σώματος επί το ύψος που αυτό έχει ανυψωθεί, και αυτή η ποσότητα βαπτιζόταν έργο. Ήταν ήδη γνωστό ότι αν φτιαχνόταν μια μη ανοιχτή θερμοδυναμική μηχανή, το έργο (όπως προσδιορίστηκε) θα ήταν το ίδιο στην είσοδο και στην έξοδο. Το 1820, η εφαρμογή της άλγεβρας στη φυσική είχε προχωρήσει στο σημείο όπου ήταν δυνατό να εξισώσεις την ποσότητα που λεγόταν έργο με την παλιά ιδέα της «vis viva» για να φτάσεις στη δήλωση :
∫F∙ds = ½ ∙m∙υ2
Το μεγάλο κίνημα στη φυσική στην αρχή του δέκατου ένατου αιώνα ήταν η σύνθεση. Η ηλεκτρική μπαταρία μετέτρεπε χημική αντίδραση σε ηλεκτρισμό το οποίο στη συνέχεια μπορούσε να χρησιμοποιηθεί να παράγει θερμότητα και φως.
Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, ηλεκτρικοί κινητήρες, θερμικές μηχανές, φωτοχημικά φαινόμενα, μια ολόκληρη σειρά από νέες ανακαλύψεις αποκαλυπτόταν, αναπάντεχες συνδέσεις μεταξύ φυσικών φαινομένων τις οποίες κανείς μέχρι τότε δεν είχε υποψιαστεί.
Στις περισσότερες, εμπλεκόταν, σε κάποιο στάδιο, ο ηλεκτρομαγνητισμός. Σύντομα εμφανίστηκε μια αφθονία από προτάσεις για ποσοτικοποίηση των σχέσεων που υπεισέρχοταν σε τέτοιου είδους μετασχηματισμούς. Πολλοί ερευνητές αναγνώρισαν νωρίς, ότι παρά τις αλλαγές κάτι διατηρείται. Αναφερόταν σαν προσπάθεια, έργο, δύναμη, ισχύς, και με πολλές άλλες ονομασίες. Πολλές προσπάθειες έγιναν για να προσδιοριστούν οι διαστάσεις αυτού του «ασύλληπτου» θεμελιώδους υλικού του σύμπαντος.
Το μεγάλο άλμα ήρθε από την μελέτη της θερμότητας. Η δημιουργική εργασία του Joseph Black, στα τέλη του 18ου αιώνα, είχε σαν αποτέλεσμα για πρώτη φορά τη δημιουργία της διάκρισης μεταξύ θερμότητας και θερμοκρασίας. Ο Black ανακάλυψε τη σχέση ΔΗ = c∙m∙ΔΤ με χρήση στη θερμιδομετρία και όρισε την ειδική και λανθάνουσα θερμότητα. Ο κόμης Rumford (Benjamin Thompson) χρησιμοποίησε αυτή τη σχέση για να δείξει πως η θερμότητα που εμφανίζεται6 κατά τη διάνοιξη ενός κανονιού έχει σχέση με την ποσότητα του έργου που παράχθηκε, παρά με το πλήθος των ξυσμάτων που προκύπτουν από τη διαδικασία. Σαν αποτέλεσμα των πειραμάτων ο Rumford πρότεινε ότι η θερμότητα δεν είναι ένα αστάθμητο7 αβαρές ρευστό αλλά μια μορφή κίνησης.
Ο τελευταίος κρίκος στην αλυσίδα που έδεσε τη θεωρία της διατήρησης της ενέργειας ήταν η ανακάλυψη ότι η θερμότητα και το έργο είναι ποσοτικά αλληλομετατρέψιμα (μπορούμε δηλαδή να μετατρέψουμε την ενέργεια από την μία μορφή στην άλλη. Πολλοί ερευνητές έφτασαν σε αυτό το συμπέρασμα ανεξάρτητα, μέσα σε δύο δεκαετίες πριν το 1850. Ο Joulious Robert8 Mayer χρησιμοποίησε τον νόμο των ιδανικών αερίων για να υπολογίσει το ποσό του έργου που παράχθηκε κατά τη παραγωγή μιας δεδομένης ποσότητας θερμότητας από τη συμπίεση των αερίων.
Κατά τη δεκαετία του 1840 ο James Prescott Joule πραγματοποίησε μια σειρά από πειράματα στα οποία μέτρησε τη θερμότητα που εκλύθηκε κατά την παραγωγή μετρήσιμων ποσοτήτων έργου. Η μέτρηση γινόταν με πολλούς διαφορετικούς τρόπους αλλά ο λόγος του έργου προς την παραγόμενη θερμότητα ήταν πάντα ο ίδιος. Επίσης μέτρησε και τη παραγόμενη θερμότητα από γνωστές ποσότητες ηλεκτρισμού και ήταν έτοιμος να αποδείξει ότι είναι ανάλογη Ι2∙R. Έφτασε στο συμπέρασμα ότι η ποσότητα που έχει τη διάσταση του έργου διατηρείται σε όλες τις αλληλεπιδράσεις και υπέθεσε ότι ο νόμος ισχύει γενικά. Περίπου την ίδια χρονική περίοδο άλλοι τρεις ερευνητές (οι Mayer, Hermann Helmholtz και L. A. Colding) ανεξάρτητα έφτασαν στο ίδιο συμπέρασμα. Η συμφωνία στο να αποκαλείται αυτή η ποσότητα ενέργεια ήρθε πολύ αργότερα.
Μέχρι εκείνη την εποχή η πράξη είχε επιβεβαιώσει την θεωρία σε πολλές φορές. Όμως λόγω νέων ανακαλύψεων ( για παράδειγμα το νετρόνιο) ήταν αναγκαίο να επινοηθούν νέοι όροι έτσι ώστε η εξίσωση της ενέργειας να ευσταθεί. Από τότε μέχρι και σήμερα είναι πιθανό να βρεθούν οι όροι αναγκαίοι για να ολοκληρωθεί το σκεπτικό ότι η τελική ολική ενέργεια στο πέρας μιας διαδικασίας είναι ίδια με την ολική αρχική ενέργεια. Υποθέτουμε ότι ο λόγος που μπορούμε να ανακαλύπτουμε καινούργιους όρους είναι ότι περιγράφουν γενικές παραμέτρους του φυσικού συστήματος. Η διατήρηση της ενέργειας μοιάζει να είναι ένας φυσικός νόμος, ο ορισμός του οποίου μέσω μαθηματικών εξισώσεων είναι ανθρώπινη επινόηση.
Το μάθημα αυτής της σύντομης ιστορίας της έννοιας της ενέργειας είναι ξεκάθαρο. Η ενέργεια ορίστηκε διότι διατηρείται. Έτσι οποιοσδήποτε ορισμός της ενέργειας δεν υπακούει στη διατήρησή της είναι λανθασμένος στη βάση του.
Έχει ειπωθεί πολλές φορές ότι ο Albert Einstein ανακάλυψε μια εξαίρεση στον κανόνα της διατήρησης της ενέργειας δείχνοντας ότι η μάζα μετατρέπεται σε ενέργεια. Αν και θα ήταν πιθανό να δημιουργηθεί ένα σταθερό μοντέλο του σύμπαντος με αυτή τη βάση, δεν είναι βολικό. Ένα τέτοιο μοντέλο θα απαιτούσε από εμάς να ορίσουμε τη μάζα σαν ένα αμετάβλητο ισοδύναμο, αυτό που τώρα καλούμε μάζα ηρεμίας. Αυτό με τη σειρά του θα δημιουργήσει την ανάγκη για νέο ορισμό της ορμής και θα δημιουργήσει μεγάλη σύγχυση στη σχέση μάζας και θερμοκρασίας. Η μέθοδος του Einstein ήταν να ορίσει τη σχετικιστική μάζα, που λειτουργεί σαν πλαίσιο αναφοράς. Με αυτή την προσέγγιση, η ενέργεια και η μάζα είναι απλός δύο διαφορετικοί τρόποι για να εκφράσουμε μια συγκεκριμένη ιδιότητα ενός συστήματος και αυτή η ιδιότητα είναι μια ποσότητα που διατηρείται.
Η εξίσωση Ε = m∙c2 δεν δηλώνει ότι η μάζα μετατρέπεται σε ενέργεια. Αυτό που λέει είναι ότι η ολική ενέργεια ενός συστήματος μπορεί να βρεθεί πολλαπλασιάζοντας την μάζα του με μια παγκόσμια σταθερά. Σε ένα πλαίσιο αναφοράς που τοποθετείται στο σύστημα, πολλαπλασιάζοντας την μάζα του με c2 παράγει μια ποσότητα που λέγεται ενέργεια της μάζας ηρεμίας. Αν ένα αντικείμενο είναι σε κίνηση, έχει επιπλέον ενέργεια (κινητική ενέργεια)που είναι ίση με m∙υ2 / 2 με επιπλέον όρους που είναι αμελητέοι, εκτός αν η ταχύτητα υ είναι κοντά στη ταχύτητα του φωτός c. Και έχει επιπλέον μάζα και η ποσότητα αυτής της μάζας μπορεί να βρεθεί αν διαιρεθεί η κινητική ενέργεια με το c2. Όμοια, η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση της μάζας. Η επιπλέον μάζα μπορεί να βρεθεί αν διαιρεθεί η αυξημένη κινητική των μορίων με το c2. Εν συντομία, κάθε είδους ενέργεια έχει μάζα και κάθε μάζα έχει ενέργεια. Η παγκόσμια σταθερά c2 δεν είναι κάτι παραπάνω από ένα συντελεστή μετατροπής σε ένα διαφορετικό σύστημα μονάδων.
Η μάζα ηρεμίας ενός αντικειμένου μπορεί να περικλείει όλα τα είδη των ενεργειών. Σίγουρα περικλείει την κινητική ενέργεια των μορίων, των ηλεκτρονίων, και νουκλεονίων και δυναμικές ενέργειες διαφόρων μορφών. Οι φυσικοί των υψηλών ενεργειών πρέπει να βρουν πως η εσωτερική δομή των υποατομικών σωματιδίων συνεισφέρει στη συνολική ενέργεια, και αν υπάρχει έλλειμμα στην ενέργεια της μάζας ηρεμίας όταν όλες οι μορφές κινητικής και δυναμικής ενέργειας έχουν ληφθεί υπ’ όψη. Η θερμοδυναμική εισήγαγε την έννοια της εσωτερικής ενέργειας, μια ποσότητα της οποίας το απόλυτο μέγεθος δεν είχε προσδιοριστεί ποτέ, που οι μεταβολές της λαμβάνονται υπ’ όψη σε πολλές αλληλεπιδράσεις. Είναι πια φανερό ότι η καλύτερη έκφραση για την ολική εσωτερική ενέργεια είναι η ενέργεια της μάζας ηρεμίας, m0∙c2 .
Ναι αλλά δεν είναι σωστό ότι σε μια πυρηνική έκρηξη η μάζα μετατρέπεται σε ενέργεια; Όχι ακριβώς. Η ενεργειακή εξίσωση για ένα τέτοιο γεγονός θα γραφόταν κάπως έτσι :
Η ενέργεια της μάζας ηρεμίας των καυσίμων =
Η ενέργεια της μάζας ηρεμίας των προϊόντων της αντίδρασης
+ κινητική ενέργεια των προϊόντων της αντίδρασης
+ αύξηση κινητικής ενέργειας των υπόλοιπων αντικειμένων
+ ενέργεια λόγω ακτινοβολίας
Όπου οι όροι κινητικής ενέργειας περιλαμβάνουν ταυτόχρονα ένα τυχαίο συστατικό (θερμική ενέργεια) και ένα οργανωμένο συστατικό (βίαια εκτόνωση). Διαιρώντας τα δύο μέλη της εξίσωσης με το c2 παίρνουμε μια άλλη εξίσωση που εκφράζει το ίδιο γεγονός σε όρους διατήρησης της μάζας :
Η μάζα ηρεμίας των καυσίμων =
Μάζα ηρεμίας των προϊόντων της αντίδρασης
+ αύξηση της σχετικιστικής μάζας των προϊόντων της αντίδρασης
+ αύξηση της σχετικιστικής μάζας των υπόλοιπων αντικειμένων
+ μάζα των φωτονίων που παράγονται
Ακριβώς το ίδιο ζευγάρι εξισώσεων μπορεί να εφαρμοστεί και σε μια χημική έκρηξη. Δεν υπάρχει τίποτα διαφορετικό στις σχέσεις που παίρνουν μέρος μεταξύ μάζας και ενέργειας, εκτός της ποσότητας. Η σχετικότητα δεν έχει αλλάξει το γεγονός ότι διατηρείται. Έχει απλά δείξει ότι αυτός ο νόμος είναι πανομοιότυπος με ένα παλιότερο : της διατήρηση της μάζας. Η ενέργεια διατηρείται ή δεν υπάρχει.
Διατηρείται η δυνατότητα να παραχθεί έργο; Ξεκάθαρα, όχι. Η προγενέστερη θεωρία της διατήρησης της vis viva δεν ήταν ικανή να υπολογίσει τις απώλειες ενέργειας που έχουν υποβαθμιστεί, αν και ο Leibniz υπέθεσε ότι η χαμένη vis viva έγινε η vis viva των εσωτερικών στοιχείων του συστήματος. Τα πειράματα που ήρθαν σαν αποτέλεσμα της καινούργιας θεωρίας απέδειξαν την ποσοτική μετατροπή του έργου σε θερμότητα, αλλά όχι το αντίθετο. Το ερώτημα για το αν η διαδικασία λειτουργεί το ίδιο καλά και αντίστροφα έπρεπε ακόμα να αντιμετωπιστεί.
Αν η ικανότητα του να παράγεις έργο όντως διατηρείται, θα μπορούσαμε να κλείσουμε πολλούς από τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας μας. Για να λειτουργήσεις ένα ανελκυστήρα, για παράδειγμα, θα ήταν απαραίτητο να σηκώσεις το θάλαμο στο πάνω μέρος του φρεατίου μόνο μια φορά. Όπως κατεβαίνει, μειώνεται η ικανότητα του να παράγει έργο και η ικανότητα αυτή θα μπορούσε να αποθηκευτεί σε κάποιο σύστημα όπως το σύστημα επιβράδυνσης του ή μια μπαταρία αποθήκευσης. Αν είχε μείνει αμείωτη, αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να σηκώσει τον ανελκυστήρα στο πάνω μέρος του φρεατίου, έτοιμο για την επόμενη κάθοδο. Επεκτείνοντας αυτή την αρχή σε άλλα συστήματα είναι φανερό ότι το πρόβλημα της μείωσης των ενεργειακών πόρων θα εξαφανιζόταν.
Στη πραγματικότητα ούτε ο Leibniz δε θα πίστευε σε αυτόν τον ανελκυστήρα, γιατί είναι μια αεικίνητη μηχανή. Μια σημαντική λογική υπόθεση που τον οδήγησε στη θεωρία της διατήρησης της vis viva ήταν η αρχή, το 18ο αιώνα ήταν ευρέως αποδεκτό ότι οι αεικίνητες μηχανές είναι αδύνατο να υπάρχουν. Παρ’ όλα αυτά, ο αέναος ανελκυστήρας δεν έρχεται σε αντίθεση με την αρχή διατήρησης της ενέργειας.
Ακόμη μια μεγάλη σύνθεση χρειαζόταν. Όταν βρέθηκε δεν έλυσε μόνο αυτό το πρόβλημα αλλά και άλλο ένα. Το 1824, ο μηχανικός Sadi Carnot ανέπτυξε μια θεωρία θερμικών μηχανών βασισμένη στην ιδέα ότι η θερμότητα παράγει έργο όταν ρέει από υψηλή θερμοκρασία σε χαμηλή, όπως το νερό παράγει έργο ρέοντας στη κατηφόρα ή τα ηλεκτρικά φορτία παράγουν έργο ρέοντας προς χαμηλότερο δυναμικό. Ο Carnot ήταν για τα καλά στα ίχνη των δύο νόμων της θερμοδυναμικής, αλλά δε μπορούσε να τους βρει λόγω της εικόνας που είχε για τη θερμότητα σαν ρευστό του οποίου η ολική ποσότητα δεν αλλάζει.
Σαν αποτέλεσμα της ανάπτυξης του πρώτου νόμου (διατήρησης της ενέργειας), με την υπόθεση ότι η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας παρά ένα ρευστό, ο Rudolf Clausius μπόρεσε να λύσει την αντίφαση μεταξύ της θεωρίας του Carnot και του πρώτου νόμου. Αποδέχθηκε το νόμο του Carnot ότι το ποσό του παραγόμενου έργου από μια θερμική μηχανή, εξαρτάται με τη διαφορά μεταξύ των θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου. Το 1850, ο Clausius πρόσθεσε σε αυτό το νόμο ότι η θερμότητα που αποβάλλεται είναι μικρότερη από τη θερμότητα που εισέρχεται, η διαφορά είναι η ποσότητα του παραγόμενου έργου. Αυτό σημαίνει ότι η ολική μετατροπή της θερμότητας σε έργο θα απαιτούσε ένα σύστημα στο οποίο θα μπορούσε να προστεθεί θερμότητα αλλά όχι να αφαιρεθεί.
Τον Clausius απασχολούσε το τεράστιας σημασίας πρακτικό πρόβλημα του να βρει με ποιο τρόπο θα παίρνει τη μέγιστη απόδοση από μια μηχανή. Δούλεψε με ένα θεωρητικό σύστημα στο οποίο μερικά υλικά απορροφούν θερμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και αποβάλλουν ένα μικρότερο ποσό θερμότητας σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η διαφορά είναι το ποσό του έργου που παράγεται. Μπορούσε να δείξει ότι αν η μεταβολή ήταν κυκλική, ένα συγκεκριμένο κλάσμα της θερμότητας που είχε προστεθεί θα έπρεπε να αποβληθεί. Αυτό το κλάσμα δεν είναι μικρότερο από το λόγο της χαμηλής θερμοκρασίας προς της υψηλή θερμοκρασία (φυσικά σε kelvin). Για να πετύχουμε ολική μετατροπή του έργου σε θερμότητα θα χρειαζόταν ένα σύστημα στο οποίο η θερμότητα που θα αποβληθεί θα είναι μηδέν (0), και αυτό μπορεί να συμβεί μόνο αν αποβληθεί στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν. Κάτι που δε μπορεί να επιτευχθεί.
Η ολική μετατροπή της εισερχόμενης θερμότητας σε έργο σε μια κυκλική μεταβολή είναι για αυτό το λόγο αδύνατη. Κάθε φορά που η ενέργεια μετατρέπεται, μέρος της δυνατότητάς της να παράγει έργο χάνεται ανεπανόρθωτα. Κανένας τέτοιος περιορισμός δεν εφαρμόζεται στη μετατροπή του έργου σε θερμότητα. Αν χρειαζόταν ένας σύντομος σθεναρός ορισμός της ενέργειας θα μπορούσε να περιγραφεί σαν τη δυνατότητα να παράγει θερμότητα. Μολονότι που ο ορισμός αυτός δεν είναι κομψός ούτε χρήσιμος, τουλάχιστον είναι αληθής.
H ποσότητα του έργου που μπορεί να αποκτηθεί από την ενέργεια εξαρτάται από τον βαθμό οργάνωσης της ενέργειας. Όταν το νερό διεισδύει κατεβαίνοντας μέσα από το έδαφος σε μια δεξαμενή, χάνει βαρυτική δυναμική ενέργεια. Παρόλα αυτά, η δυνατότητα του να παράγει έργο αυξάνεται, όπως συσσωρεύεται γίνεται διαθέσιμο για το γύρισμα μιας τουρμπίνας. Η δύναμη που ασκείται από ένα κινητήρα πυραύλων εξαρτάται καθοριστικά από το σχήμα του ακροφυσίου μέσω του οποίου το καυσαέριο εξέρχεται.
Αν παράγεις 50 Joules έργου επιταχύνοντας ένα σφυρί 1 kg, θα πηγαίνει με ταχύτητα 10 m / s. Αυτή είναι εξαιρετικά οργανωμένη κινητική ενέργεια, για όλα τα μόρια που κινούνται στην ίδια κατεύθυνση. Το σφυρί μπορεί να δώσει πολύ κοντά στα 50 Joules έργου μέχρι να ηρεμήσει, γυρνώντας στην αρχική του κατάσταση. Ωστόσο, αν αυτή η ίδια ποσότητα ενέργειας προστίθεται στην τυχαία κίνηση των μορίων, το αποτέλεσμα θα είναι η αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό είναι εύκολο να βρεθεί, είναι περίπου 0,12 Κ, δεδομένου ότι η ειδική θερμότητα του σιδήρου είναι περίπου 0,1 cal / g∙Κ . Κατά την επιστροφή του στην αρχική του κατάσταση, ας πούμε, την θερμοκρασία δωματίου θα μπορούσε, θεωρητικά, να γίνει για να παράγει κάποιο έργο, αλλά θα πρέπει επίσης να απορριφθεί κάποια θερμότητα σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Το μέγιστο κλάσμα της ενέργειας εισόδου που μπορεί να μετατραπεί σε έργο είναι η αναλογία της πτώσης της θερμοκρασίας έως την τελική θερμοκρασία, ή 0,12 Κ / 300 Κ = 4∙10-4 . Αντί των 50 Joules που είναι διαθέσιμο για την παραγωγή έργου, όταν η κινητική ενέργεια είναι οργανωμένη, έχουμε μόνο 10-3 Joules όταν είναι τυχαία.
Παρακινούμενοι από την έκρηξη της βιομηχανικής επανάστασης, οι θεωρητικοί φυσικοί, μεταξύ 1840 και 1860, ανέπτυξαν τους νόμους της θερμοδυναμικής. Αυτές ήταν ανησυχίες ζωτικής σημασίας σε μια εποχή όταν η βιομηχανία άλλαζε, από τους κινητήρες που χρησιμοποιούσαν την δύναμη του νερού στις θερμικές μηχανές και μάθαιναν να χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια για να μεταφέρουν την ενέργεια. Ο πρώτος νόμος (διατήρηση της ενέργειας), είπε στους βιομηχάνους ότι δεν μπορούσαν να πάρουν κάτι χωρίς να δώσουν τίποτα, ο δεύτερος νόμος (αύξηση της εντροπίας), δήλωσε ότι δεν θα μπορούσαν ακόμα και να ισορροπήσουν τις απώλειες (της ενέργειας λόγω της εντροπίας).
Το 1970, οι Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιούσαν σχεδόν 1020 Joules ενέργειας ετησίως. Τέσσερα τοις εκατό προερχόταν από την υδροηλεκτρική ενέργεια, και το υπόλοιπο από την καύση των ορυκτών καυσίμων. Η πυρηνική ενέργεια μόλις άρχιζε να συνεισφέρει. Η κατανάλωση διπλασιάζεται περίπου κάθε 25 χρόνια. Μόνο ένα μικρό μέρος αυτής της ενέργειας χρησιμοποιείται για την παραγωγή έργου. Από κάθε 100 Joules που χρησιμοποιούνται, τα 25 καταναλώνονται σε θέρμανση χώρων, και ένα άλλο 24 σε βιομηχανικές διεργασίες, κυρίως σε διεργασίες που πραγματοποιούνται με θερμότητα, όπως σύντηξη και δημιουργία γυαλιού. Είκοσι έξι Joules χρησιμοποιούνται για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά παράγουν μόνο 7 αξιοποιήσιμα Joules ηλεκτρικής ενέργειας. Η υπόλοιπη ποσότητα χάνεται στην παραγωγή και τη μετάδοση, και αναπόφευκτα μετατρέπεται σε θερμότητα. Η διαδικασία μεταφοράς χρησιμοποιεί 25 Joules, σπαταλώντας 19 joule από αυτά. Μετρώντας τη χρήσιμη απόδοση των κινητήρων μεταφοράς και ένα μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται, τότε φαίνεται ότι μόνο περίπου 10 Joules από κάθε εκατό χρησιμοποιούνται για να ωθήσουν σώματα να διανύσουν αποστάσεις.
Φυσικά, ακόμη και αυτά τα 10 Joules τελικά καταλήγουν να γίνουν θερμότητα. Όποια και αν είναι ενέργεια που χρησιμοποιείτε για να ξεκινήσετε το αυτοκίνητο σας γίνεται θερμότητα και όταν το σταματάτε. Ένα καθαρό αποτέλεσμα της χρήσης των 10 Joules ενέργειας είναι η παραγωγή 10 Joules θερμότητας. Πρόσφατα έχουμε ενημερωθεί για ένα από τα προβλήματα που δημιουργεί αυτό: την θερμική ρύπανση. Σήμερα, ένας σημαντικός περιορισμός στο σχεδιασμό κάθε νέου σταθμού ηλεκτροπαραγωγής είναι η απαίτηση η θερμότητα που παράγει να διασπείρεται σε μεγάλο βαθμό και γρήγορα, έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι τοπικές αυξήσεις της θερμοκρασίας.
Ακόμα και η τέλεια διασπορά της θερμότητας που δημιουργείται από τη βιομηχανία δεν θα λύσει το πρόβλημα. Η Γη λαμβάνει από τον ήλιο, και ακτινοβολεί πίσω στο διάστημα, περίπου 5,5∙1024 Joules ενέργειας ανά έτος. Η βιομηχανική δραστηριότητα δημιουργεί ένα επιπλέον ποσό 1,9∙1020 Joules, αυτό ακτινοβολείται εις βάρος της αύξησης της μέσης θερμοκρασίας της γης κατά 0,08 Kelvin. Αλλά ο ρυθμός της ακτινοβολίας είναι ανάλογος προς την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας Kelvin. Με το παρόντα εκθετικό ρυθμό αύξησης της βιομηχανικής παραγωγής σε θερμότητα, θα πρέπει να αναμένουμε και αύξηση κατά χίλιες φορές μέσα στα επόμενα 200 χρόνια. Αυτό θα μπορούσε να ακτινοβολείται μόνο από την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της γης, σε περίπου 3 kelvins. Και αυτό είναι αρκετό για την τήξη των πολικών πάγων.
Από όλα αυτά, είναι σαφές ότι είναι παραπλανητικό να αφήνουμε τη θερμότητα έξω οποιοδήποτε ορισμό της ενέργειας. Η ιδέα ότι η ενέργεια είναι η ικανότητα παραγωγής έργου χρονολογείται από τον δέκατο έβδομο αιώνα και τέθηκε υπό αμφισβήτηση όταν η ενέργεια ορίστηκε ποσοτικά ως διατηρούμενη ποσότητα την δεκαετία του 1840. Μέσα σε δέκα χρόνια, η έκφραση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής είχε δείξει ότι ο ορισμός αυτός είναι ψευδής. Είναι καιρός να εγκαταλειφθεί. Η ενέργεια είναι μια ποσότητα με διαστάσεις του έργου η οποία διατηρείται σε όλες τις αλληλεπιδράσεις. Θα πρέπει να καθορίζεται με βάση ένα σύνολο αλγεβρικών εκφράσεων, γραμμένο με τέτοιο τρόπο ώστε το άθροισμά τους δεν αλλάζει όταν ένα σύστημα είναι μονωμένο. Η ενέργεια που μεταφέρεται από το ένα σύστημα στο άλλο μπορεί να ονομάζεται έργο, θερμότητα, ακτινοβολία, ή μια ποικιλία από άλλα ονόματα, ανάλογα με τον τρόπο της μεταφοράς. Και σε κάθε μετατροπή, το ποσό του έργου στο οποίο μπορούν να μετατραπούν μειώνεται.
Ένας σύγχρονος ορισμός της ενέργειας, πρέπει, συνεπώς, να βασίζεται τόσο στο πρώτο όσο και στο δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Οτιδήποτε λιγότερο παραποιεί την εικόνα. Αν δεν είναι δυνατό να γραφεί ένας ικανοποιητικός ορισμός με λίγες λέξεις, θα πρέπει να μάθουμε να ζούμε και χωρίς ένα τέτοιο τακτοποιημένο πακέτο λέξεων.
