انرژی و انواع آن

انرژی توانایی انجام دادن کار است. انرژی می تواند چیزی را جابجا کند یا ماده ای را دگرگون کند. انرژی می تواند بصورت های گرمایی، الکتریکی، شیمیایی، هسته ای، تابشی، جنبشی یا اندوخته ای (پتانسیل) باشد. انرژی هرگز نابود نمی شود، بلکه از صورتی به صورتی دیگر در می آید. بسیاری از دستگاه هایی که برای آسان کردن کارها از آن ها بهره می گیریم، صورتی از انرژی را به صورتی دیگر در می آورند. آدمی همواره کوشیده است که به منابع انرژی گوناگونی دست پیدا کند که همگی از خورشید سرچشمه می گیرند.

energy-aماده و انرژی

جهان ما، از ماده و انرژی درست شده است. آنچه در پیرامون خود می بینیم، ماده است و آنچه بر ماده اثر می کند و باعث جابجایی یا دگرگونی آن می شود، انرژی است. برای نمونه، آب نوعی ماده است و انرژی نور خورشید یا گرمای آتش آن را به صورت بخار در می آورد و از سطح مایع به بالا جابجا می کند. ماده جرم و حجم دارد و به بیان ابوریحان بیرونی «بسوده می شود»، یعنی می توان آن را لمس و احساس کرد، اما انرژی اندکی مرموز است و جرم و حجم ندارد. انرژی درون ماده وجود دارد و از ماده ای به ماده ای دیگر جابجا می شود، اما ما، نمی توانیم آن را به مانند آب احساس کنیم.

انرژی را از روی پیامدهایش می توان شناخت. انرژی می تواند:

۱. چیزی را جابجا کند.

۲. چیز ساکن را به حرکت در آورد.

۳. چیز در حرکت را ساکن کند.

۴. سوی حرکت چیزی را تغییر دهد.

۵. سرعت جابجایی را کاهش یا افزایش دهد.

۶. ظاهر چیزی را دگرگون کند.

۷. حجم چیزی را تغییر دهد.

۸. دمای چیزی را بالا یا پایین ببرد.

با این که ماده و انرژی ویژگی های متفاوتی دارند، به یکدیگر وابسته اند. آلبرت اینشتین، فیزیکدان آلمانی، رابطه بین ماده و انرژی را به صورت فرمول بسیار شناخته شده E=mC2 بیان کرد که در آن، E مقدار انرژی، m مقدار ماده (جرم) و C سرعت نور است. چون مقدار مجذور سرعت نور (C2) بسیار بزرگ است، بر پایه این فرمول، مقدار اندکی از ماده می تواند به مقدار بسیار زیادی انرژی تبدیل شود و اگر بخواهیم ماده را از انرژی به دست آوریم، به انرژی بسیار زیادی نیاز داریم. از اینرو، در واکنش های هسته ای و شیمیایی مجموع جرم فرآورده های واکنش از مجموع جرم عامل های واکنش ممکن است کمتر باشد. این جرم کاهش یافته به انرژی تبدیل می شود که بطور معمول به صورت انرژی گرمایی آزاد می شود.

کار و انرژی

برای پی بردن به مفهوم درست انرژی، باید تعریف علمی کار را بدانیم. فکر کردن به یک موضوع علمی یا ایستادن در صف اتوبوس از نظر علمی کار به شمار نمی آید. بر پایه تعریف دانشمندان علمی فیزیک، هنگامی کار انجام می شود که ماده ای که در برابر آن مقاوتی هست، جابجا شود. اگر شما چیزی را از روی زمین بلند کنید، میخی را با چکش در چوبی بکوبید و یا فنری را بکشید، از نظر فیزیکدان ها، کاری انجام داده اید. شما کیف را در برابر نیروی گرانش زمین، میخ را در برابر اصطکاک چوب و فنر را در برابر نیروی مقاومت آن، جابجا کرده اید. شما برای انجام این کارها انرژی مصرف می کنید.

اکنون بار دیگر به کاری که با چکش روی میخ انجام داده اید دقت کنید. هنگامی که شما چکش را بر خلاف جهت نیروی گرانش بالا می برید، کار انجام می دهید. کار انجام شده روی چکش به صورت انرژی در آن اندوخته می شود که آن را انرژی اندوخته ای یا پتانسیل، می گوییم. هرچه وزن یک چیز بیشتر و فاصله آن از سطح زمین بیشتر باشد، انرژی اندوخته ای آن بیشتر است. هنگامی که چکش را بر میخ فرود می آوریم، انرژی اندوخته ای آن به انرژی جنبشی (حرکتی) تبدیل می شود و این انرژی بر اصطکاک چوب چیره می شود و با جابجایی میخ در چوب، کار انجام می دهد.

اندازه انرژی جنبشی به جرم جسم و سرعت آن بستگی دارد. در کار فروبردن میخ در چوب، وزنه چکش است که کار انجام می دهد. اگر چکش به آرامی روی سر میخ گذاشته شود، نمی تواند آن را در چوب فرو ببرد. اما اگر سرعت آن دو یا سه برابر شود، میزان انرژی جنبشی آن و در نتیجه مقدار کاری که می تواند انجام دهد، چهار برابر یا نه برابر می شود. همچنین اگر سنگ بزرگی که در فاصله کافی بر بالای میخ نگه داشته است، رها شود، می تواند کار انجام دهد و میخ را در چوب فرو ببرد.

هر چه جرم سنگ بیشتر باشد، کار بیشتری انجام می دهد.

انرژی اندوخته ای (پتانسیل) در سه دسته گرانشی، کش سانی و شیمیایی بررسی می شود. انرژی گرانشی هنگامی در چیزی اندوخته می شود که آن چیز را از سطح زمین بالا ببریم. هر چه جرم آن بیشتر و از سطح زمین بالاتر باشد، انرژی گرانشی بیشتری خواهد داشت. انرژی اندوخته شده در یک فنر یا کش لاستیکی تیرکمان را انرژی کش سانی می گویند که میزان آن به سختی فنر یا کش و تغییر طول آن بستگی دارد. انرژی شیمیایی، انرژی اندوخته شده در پیوندهای شیمیایی بین اتم هاست که هنگام شکسته شدن پیوند ها آزاد می شود.

صورت های گوناگون انرژی

انرژی به صورت های گوناگون، وجود دارد؛ انرژی گرمایی، انرژی الکتریکی، انرژی شیمیایی، انرژی هسته ای، انرژی تابشی و انرژی جنبشی آب و باد.

۱. انرژی گرمایی یکی از صورت های بسیار آشنای انرژی است که از انرژی جنبشی ذره های سازنده ماده بر می خیزد. هر چه جنبش این ذره ها بیشتر باشد، انرژی گرمایی و دمای ماده بیشتر است. این انرژی می تواند کار انجام دهد. برای نمونه، می تواند دمای آب را بالا ببرد و آن را به صورت بخار درآورد. اگر بخار در ظرف بسته ای تولید شود، فشار زیادی به دیواره ظرف وارد می کند. این فشار می تواند کار انجام دهد. برای نمونه، توربین یک نیروگاه تولید برق را به کار اندازد. از این راه، انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

۲. انرژی الکتریکی یکی از پرکاربردترین صورت های انرژی است که از جنبش الکترون ها و جابجایی آن ها بر می خیزد. الکترون ها از ذره های سازنده اتم ها هستند که بار منفی دارند و جابجایی آزادانه آن ها در فلزها باعث فراهم شدن جریان الکتریسیته می شود. ما با کمک دستگاه هایی به نام ژنراتور یا باتری باعث جابجایی الکترون ها و تولید جریان الکتریکی می شویم. نیروی مورد نیاز برای کار کردن ژنراتور از چرخش توربین و نیروی مورد نیاز برای تولید جریان الکتریکی در باتری از مواد شیمیایی ویژه به دست می آید.

۳. انرژی شیمیایی در هر ماده ای که بتواند کاری انجام دهد، اندوخته شده است. برای نمونه، آمیزه ای از مواد شیمایی که باروت یا دینامیت را می سازند، می توانند سنگ های بزرگ را خرد کنند. پس انرژی شیمیای دارند. بنزین نیز انرژی شیمیایی دارد، زیرا می تواند خودروها را به راه اندازد. نفت، الکل، زغال سنگ و گاز طبیعی همگی انرژی شیمیای دارند. اما انرژی آن ها باید در جریان واکنش های شیمیایی آزاد شود و بصورت دیگری از انرژی درآید. در جریان این واکنش ها برخی پیوندهای پرانرژی می شکنند و پیوندهای تازه ای به وجود می آید که انرژی کمتری دارند. بنابراین، مقداری انرژی آزاد می شود که ما به کمک دستگاه های گوناگون آن را به صورت های دیگری در می آوریم و از آن ها بهره مند می شویم.