خط مهندسی

انرژی در کتاب‌های درسی بصورت : «توانایی انجام کار» تعریف می‌شود.

اندازه‌گیری و محاسبه انرژی و تبدیل آن به صورت‌های دلخواه مفید برای بشر از جمله کار های اصلی مهندسان مکانیکاست. لذا در این نوشته و سری نوشته های بعد از آن، به‌طور مفصل به انرژی می‌پردازیم.

انرژی (یا معادل فارسی آن یعنی کارمایه!) کمیتی است که از جسمی به جسم دیگر منتقل و یا از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌‌‌شود.
اما در واقع هیچ‌کدام از این تعریف‌ها به اندازه‌ی کافی راضی‌کننده نیستند.

در نوشته‌های آینده درباره‌ی ماهیت انرژی و تعریف‌های جدید آن در خط مهندسی بیشتر خواهید‌خواند.

و اما در این نوشته برای سفری‌ علمی – آموزشی در دنیای انرژی با ما همراه باشید.

انرژی چیست ؟

انرژی را می ‌توانیم به‌عنوان «کار ذخیره شده» یا «توانایی انجام کار» تعریف کنیم. به زبان ساده هرگاه کاری انجام می‌شود پای تبدیل انرژی در میان است.

مثلاَ برای حرکت خودرو، باید بنزین سوزانده شود، درون موتور خودرو انرژی شیمیایی بنزین به انرژی گرمایی تبدیل شود و انرژی گرمایی درون موتور  تبدیل به انرژی جنبشی شده و به چرخ ها منتقل شود.
و در نیروگاه‌ها انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی و گرما تبدیل می‌شود.

و اما چرا گفتیم «تبدیل انرژی» و نگفتیم «مصرف انرژی» ؟

قانون پایستگی (بقای) انرژی

اصل پایستگی انرژی (که شباهت زیادی به قانون اول ترمودینامیک دارد) بیان می‌کند که انرژی نه به وجود می‌‌آید و نه از بین می‌رود.

مثلاَ هنگامی که خودرو ترمز می‌کند، انرژی جنبشی به انرژی گرمایی و انرژی صوتی تبدیل شده و به محیط دفع می‌شود. معمولاَ وقتی از اتلاف و مصرف انرژی صحبت می‌کنیم منظور همان دفع ناخواسته‌‌ی انرژی به محیط است.

اصل هم‌ارزی جرم و انرژی

با پیشرفت علم و پیدایش نسبیت خاص توسط اینشتین «اصل بقای جرم» و «اصل بقای انرژی» به نوعی ترکیب‌شدند.

جرم و انرژی دو کمیت کاملاَ متفاوت فیزیکی هستند. در سال ۱۹۴۶ اینشتین در مقاله‌ای توضیح داد که «قانون پایستگی جرم در چارچوب نسبیت خاص کافی نیست و آن‌ را با پایستگی انرژی ادغام کرد.

شصت سال قبل از آن نیز قانون پایستگی انرژی مکانیکی با قانون پایستگی گرما (انرژی حرارتی) تلفیق شده بود.

به نظر می‌آید که قانون پایستگی انرژی در حال بلعیدن سایر پایستگی‌ها در خود است‌، تا جایی که یک قانون پایستگی بیشتر نداشته باشیم.

انواع انرژی

به طور کلی در جهان هستی انرژی در دو نوع انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل یافت می‌شود.

انرژی پتانسیل هر نوع انرژی ذخیره شده را شامل می‌شود؛ از جمله شیمیایی، هسته‌ای، گرانشی و مکانیکی

انرژی جنبشی در حرکت یافت می‌شود؛ چه یک هواپیما در حال پرواز باشد و چه یک سیاره به دور خورشید گردش کند. حتی ریزترین ذرات به ظاهر ساکن نیز انرژی جنبشی دارند؛ مولکول های سازنده‌ی اجسام در جای خود لرزش دارند و با داغ شدن جسم، انرژی جنبشی ذرات نیز بیشتر‌ می‌شود.

الکتریسته نیز انرژی جنبشی حاصل از حرکت از الکترون‌ها بین اتم‌ها است

شکل‌های مختلف انرژی پتانسیل

به‌طور کلی انرژی پتانسیل در شکل‌های زیر موجود است :

انرژی گرانشی

انرژی گرانشی یک سیستم هنگامی که جرمی از مرکز زمین دور شود (از سطح زمین ارتفاع بگیرد) یا هنگامی که جرم به اندازه کافی بزرگ (سیاره ها و ستاره ها) باشد که گرانش ایجاد کند، افزایش می‌یابد.

انرژی شیمیایی

انرژی شیمیایی در ترکیب‌ شیمیایی مواد و در پیوند بین اتم‌ها ذخیره شده است. هنگامی که یک ترکیب شیمیایی می‌شکند و ترکیب‌های جدید ایجاد می‌شوند انرژی شیمیایی سیستم تغییر می‌کند و به شکل‌های دیگر انرژی مانند گرما تبدیل می‌شود.

انرژی هسته‌ای

سوخت نیروگاه‌های هسته‌ای امروزی توسط شکافت اتم‌ها تأمین می‌شود. اتم‌های اورانیوم و پلوتونیوم شکافته شده و انرژی قابل توجهی آزاد می‌کنند.

در خورشید نیز اتم‌های هیدروژن شکافته شده و انرژی آن‌ها به شکل تابش الکترومغناطیسی و انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

انرژی کشسانی (الاستیک)

انرژی کشسانی در مایعات و گاز‌های فشرده ، فنر‌های کشیده یا فشرده و مانند این‌ها وجود دارد. در مقیاس اتمی می‌توان گفت کرنش موقت بین اتم‌ها باعث تغییر انرژی کشسانی می‌شود. یعنی تغییر دائمی در ماده به وجود نمی‌آید.
پیوند‌های اتمی وقتی تحت تنش قرار می‌گیرند انرژی کشسانی ذخیره می‌کنند و هنگامی که آسوده می‌شوند، این انرژی را رها می‌کنند.

شکل‌های مختلف انرژی جنبشی

به‌طور کلی انرژی جنبشی در شکل‌های زیر موجود است :

حرکت

هر جسم متحرک دارای انرژی جنبشی است. انرژی جنبشی با جرم جسم و توان‌ِ دوم سرعت آن متناسب است. برای پرتاب یک توپ با دو‌برابر سرعت قبلی، کار بیشتری انجام می‌شود و چهار برابر انرژی تبدیل می‌‌شود.
اگر بازیکن بسکتبال توپ را همزمان بچرخاند و پرتاب کند، توپ دارای انرژی حرکتی دورانی نیز خواهد بود.

انرژی گرمایی و دما

انرژی گرمایی به‌طور مستقیم با دما مرتبط است.

در یک اتاق نمی‌توانیم لرزش تک تک اتم‌های هوا را حس کنیم (انرژی گرمایی) اما انرژی جنبشی آن‌ها را در قالب دمای اتاق احساس می‌کنیم.

صوت

امواج صوتی هنگامی به‌وجود می‌آیند که چیزی مرتعش شود. مانند ارتعاش تار‌ها در گیتار و ارتعاش مولکول‌های هوا در اتاق. امواج صوت هنگامی منتقل می‌شوند که محیط آن‌ها نیز قابلیت ارتعاش داشته باشد؛ مانند هوا، مایعات و محیط‌های جامد، اما در خلأ امکان انتقال صوت وجود ندارد.

تابش الکترومغناطیسی (انرژی تابشی)

انرژی الکترومغناطیسی در واقع همان تابش یا نور است. چه نور مرئی باشد مانند چراغ و شمع و چه نور نامرئی مثل پرتو‌های گاما و فرابنفش.
انرژی الکترومغناطیسی بر خلاف صوت در خلأ نیز منتقل می‌شود و این عامل رسیدن انرژی خورشید به زمین است.
فیزیکدان‌ها گاهی تابش الکترومغناطیسی را به شکل بسته‌های بسیار کوچک انرژی به نام فوتون توصیف می‌کنند که در فضا منتشر می‌شوند. هر فوتون یک فرکانس، طول‌موج و انرژی خاص خود را دارد ولی همه‌ی فوتون‌ها با یک سرعت حرکت می‌کنند.(سیصد هزار کیلومتر‌ بر‌ ثانیه)
انرژی الکترومغناطیسی توسط فتوسنتر به انرژی شیمایی درون گیاهان تبدیل می‌شود و به توسط انسان‌ها و حیوانات مصرف می‌شود.

انرژی الکتریکی

انرژی الکتریکی نیز انرژی جنبشی حاصل از حرکت از الکترون‌ها بین اتم‌ها است.

چرا نیرو وارد را وارد می‌کنیم ولی انرژی را منتقل می‌کنیم؟

تفاوت انرژی با نیرو در چیست؟

تفاوت اول و مهم‌ترین تفاوت در ماهیت کمیت‌های فیزیکی نهفته است. انرژی کمیتی عددی و نیرو کمیتی برداری است و بدون جهت وارد شدن، معنا پیدا نمی‌کند.

تفاوت دیگر در این است که نیرو ذاتاً در جسم وجود ندارد، نمی‌توانیم بگوییم فلان جسم مقداری نیرو دارد. مثلاَ هنگامی که به دیوار نیرو وارد می‌کنیم، نیرو تا وقتی وجود دارد که در حال وارد کردن آن به دیوار هستیم.

اما برعکس نیرو، انرژی کمیتی است که می‌تواند کم یا زیاد شود، به محیط یا از محیط منتقل شود و جزء خاصیت‌های سیستم به‌حساب می‌آید. به بیانی معروف انرژی قابلیت انجام کار است و نیرو وسیله‌ی آن.

جمع‌آوری و نگارش: خط مهندسی
منبع: خط مهندسی