کار و انرژی از مفاهیم بسیار مهم و اساسی فیزیک است. انرژی به معنی توانایی انجام دادن کار تعریف شده است. اگر جسمی بتواند کار انجام دهد، دارای انرژی است. اما خود کار چیست؟ طبق تعریف کار برابر است با حاصلضرب داخلی بردار نیرو در بردار جابجایی، یعنی
W=F.d
جسمی را از ارتفاعی رها کنید، نیروی وزن آن جابجا می شود، بنابراین زمین (که نیروی وزن را به جسم اعمال کرده) روی آن کار انجام داده است. حال گلوله یک فلزی را نظر بگیرید که با سرعت در حال حرکت است و به توپ ساکنی برخورد کرده و آن را پرتاب می کند. گلوله روی توپ کار انجام داده است، بنابراین گلوله دارای انرژی بوده است. اگر گلوله ساکن بود توانایی انجام کار نداشت، پس دارای انرژی نبود
انرژی دارای انواع مختلف، انرژی مکانیکی، انرژی الکتریکی، انرژی شیمیایی، انرژی گرمایی، انرژی هسته ای ... می باشد. در سال 1847 فون هلمهولتز قانون بقای انرژی را اعلام داشت. بر طبق این قانون، انرژی را می توان از صورتی به صورت دیگر تبدیل کرد، اما نمی توان آنرا نابود یا خلق کرد. هرگاه به نظر آید که در جایی مقداری انرژی ناپدید شده است، می بایستی در جای دیگر، همین مقدار انرژی ظاهر شود. این قانون را قانون اول ترمودینامیک نیز می نامند. تقریباً یکصد سال قبل از هلمهولتز، لاووزیه شیمیدان فرانسوی قانون بقای جرم را بیان داشته بود. طبق قانون بقای جرم، ماده نه به وجود می آید و نه از بین می رود و در طی یک فرایند شیمیایی مجموع جرم مواد شرکت کننده در آن فرایند همواره ثابت است. بنابراین در فیزیک کلاسیک دو قانون، قانون بقای جرم و قانون بقای انرژی شناخته شده و مورد قبول بود
گرما
هر شئی نورانی خواه ستاره خواه شمع، ضمن انتشار نور مقداری گرما منتشر می کند. در مورد گرما نیز مانند نور دو نظریه وجود داشت. بر طبق یکی از آنها، گرما جسمی مادی بود که می توانست از یک جسم به جسم دیگر وارد شود. این جسم را کالوریک
Caloric
می نامیدند که مشتق از کلمه ی یونانی به معنی. بر طبق این عقیده، گرما است هنگامی که چوب می سوزد، کالوریک چوب به شعله و از طریق شعله به اجسام مجاور منتقل می شود. در اواخر قرن هیجدهم این نظریه مطرح شد که گرما به صورت ارتعاش است. در سال 1798 بنجامین تامسون که به سوراخ کردن توپ نظارت می کرد، متوجه شد که مقداری گرما تولید می شود. وی نظر داد که این گرما می بایستی به صورت ارتعاش باشد و بر اثر اصطکاک مکانیکی مته و توپ تولید می شود
ژول مدت سی و پنج از عمر خود را صرف تبدیل انواع کار به گرما کرد. وی مقدار گرمایی را که از یک جریان الکتریکی تولید می شود، اندازه گیری کرد. با چرخاندن چرخهای پره دار در داخل آب، با متراکم کردن گاز و کارهای دیگری از این نوع انجام داد تا سر انجام به این نتیجه رسید که مقدار معینی کار، به هر صورتی که باشد، همیشه مقدار معینی گرما ایجاد می کند که وی آن را معادل مکانیکی گرما نامید
Mechanical Equivalent of Heat
چون گرما می توانست به کار تبدیل شود، می بایستی صورتی از انرژی باشد
Energy
یک کلمه یونانی به معنی حامل کار است
در هر تبدیل یک نوع انرژی،به نوع دیگر، مثلاً تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی، مقداری انرژِی به گرما تبدیل می شود. ظرفیت هر دستگاه برای انجام دادن کار، انرژی آزاد آن دستگاه نامیده می شود. بخشی از انرژی که از میان می رود و به صورت گرما ظاهر می شود، در اندازه گیری آنتروپی مجسم می شود. اصطلاح آنتروپی در سال 1850 توسط کلوزیوس به کار گرفته شد. کلوزیوس متوجه شد که در هر فرایندی که شامل جریانی از انرژی است، همیشه مقداری از انرژی از میان می رود و به گرما تبدیل می شود، به طوری که آنتروپی جهان پیوسته در حال افزایش است. افزایش پیوسته ی آنتروپی به قانون دوم ترمودینامیک موسوم است. این قانون را گاهی به کهولت یا مرگ تدریجی جهان تعبیر می کنند. طبق نظر کلوزیوس تغییرات آنتروپی یک سیستم برابر است با
dS=dQ/T
که در آن
dS , dQ , T
به ترتیب دمای مطلق، تغییرات گرما و تغییرات آنتروپی است. امروزه این رابطه به شکل زیر مورد استفاده قرار می گیرد
ds> or =dQ/T
با توجه به رابطه ی بالا بسادگی مشاهده می شود که آنتروپی یک سیستم که گاهی آنرا به نظمی نیز تعبیر می کنند، همواره بزرگتر یا مساوی صفر است و هیچگاه منفی نمی شود