انرژی

اِنِرژی (energy)

اِنِرژي

اِنِرژي

قابلیّت انجام‌دادن کار. به اشکال بسیار گوناگون وجود دارد. به‌عنوان مثال انرژی پتانسیل ناشی از حالت یا موقعیت است؛ بنابراین فنر کشیده‌شده دارای انرژی پتانسیل کشسان و جسمی که تا ارتفاعی بالاتر از سطح زمین برده شده است یا آب در مخزنی مرتفع، دارای انرژی پتانسیل گرانشی‌اند. اجسام متحرک انرژی جنبشی دارند. انرژی را می‌شود از یک شکل به شکل دیگر تبدیل کرد، اما مقدار کل انرژی در هر سیستم ثابت می‌ماند (اصل پایستگی انرژی). انرژی هرگز از بین نمی‌رود، اما بعد از چندین‌بار تبدیل‌شدن، در دماهای نسبتاً کم به انرژی جنبشی در حرکت تصادفی مولکول‌ها، مثلاً مولکول‌های هوا، تبدیل می‌شود. این انرژی از نوع تجزیه‌شده است که تبدیل دوباره آن به اشکال دیگر دشوار است.

انواع انرژی و انتقال آن. باتریِ خالی چراغ‌قوه را روشن نمی‌کند، امّا اگر باتری کاملاً پر شده باشد آن قدر انرژی شیمیایی دارد که لامپ چراغ‌قوه روشن شود. وقتی جسم الف روی جسم دیگری مثل ب کار انجام دهد، الف انرژی را به ب انتقال می‌دهد. انرژی انتقال‌یافته برابر با مقدار کاری است که الف روی ب انجام داده است. از این رو، انرژی را بر حسب (ژول) اندازه‌گیری می‌کنند. آهنگ انجام کار یا مصرف انرژی توان نامیده می‌شود و بر حسب وات (ژول بر ثانیه) اندازه‌گیری می‌شود. انرژی از هر شکل به شکل دیگر تبدیل می‌شود. توپی که روی سطح شیب‌داری ساکن نگهداشته شده است دارای انرژی پتانسیل است و وقتی از روی سطح به پایین بغلتد، به‌تدریج انرژی آن به انرژی جنبشی چرخشی و انرژی جنبشی انتقالی تغییر می‌یابد. وقتی آونگی نوسان می‌کند، انرژی پیوسته از شکل پتانسیل در بالاترین نقطۀ نوسان به انرژی جنبشی در پایین‌ترین نقطه و برعکس تبدیل می‌شود. در مکان‌های بین این دو حّدِ کرانه‌ای، سیستم هم دارای انرژی جنبشی و هم انرژی پتانسیل، با نسبت‌هایی متفاوت است. هر وزنه‌بردار وقتی وزنه‌ای را بلند می‌کند انرژی شیمیایی را از ماهیچه‌هایش به انرژی پتانسیل وزنه تبدیل می‌کند. اگر وزنه‌بردار وزنه را از بالای سر رها کند، ضمن سقوط، انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و این انرژی ضمن اصابت وزنه به کف اتاق به انرژی گرمایی و انرژی صوتی تبدیل می‌شود. کلوخۀ زغال سنگ و تانک نفت، به‌همراه اکسیژنِ لازم برای سوختن‌، حاوی انرژی شیمیایی‌اند. گونه‌های دیگر انرژی عبارت‌اند از انرژی الکتریکی، انرژی هسته‌ای، انرژی صوتی و انرژی نوری. با این حال، همۀ این انرژی‌های گوناگون نهایتاً یا به انرژی جنبشی یا انرژی پتانسیل طبقه‌بندی می‌شود.

منابع. منابع انرژی ذخایر انرژی تبدیل شدنی‌اند. منابع تجدیدناپذیر عبارت‌اند از سوخت‌های فسیلی، ازجمله زغال سنگ، نفت، و گاز، و سوخت‌های شکافت هسته‌ای، مثلاً اورانیوم ۲۳۵. واژه «سوخت» را برای هر ماده‌ای به‌کار می‌برند که بتوان از آن انرژی به‌دست آورد. آدمی ذخایر سوختی از قبیل زغال سنگ و نفت را مصرف، و انرژی آن‌ها را به سایر اشکالِ مفید تبدیل می‌کند. از انرژی شیمیایی، که بر اثر سوختن ماده سوختی آزاد می‌شود، برای انجام کار استفاده می‌کنند. از منابع تجدیدپذیری مثل انرژیِ باد، جزر و مد و نیروی زمین‌گرمایی که تاکنون کمتر بهره‌برداری شده است، اما طرح‌های هیدروالکتریک اکنون کاملاً متداول‌اند و توربین‌های بادی و سیستم‌های جزر و مدّی نیز توسعه یافته‌اند.

پایستگی انرژی و بازده. همۀ اشکال انرژی بر اثرِ فرآیند‌های مناسب به یکدیگر تبدیل می‌شوند. انرژی از یک شکل به شکل دیگر تبدیل می‌شود، اما جمع کل انرژیِ بعد از تبدیل همواره برابر انرژی اولیه است. به‌عبارت دیگر، مقدار انرژی در همۀ مراحل ثابت می‌ماند. این قاعده‌ اصل پایستگی انرژی است. این اصل را می‌توان با استفاده از نمودارهای جریان انرژی، به‌نام نمودارهای سَنکِی، نمایش داد. این نمودارها تبدیلات انرژی را نشان می‌دهند. استفاده از موتور بنزینی برای ایجاد نیرو در خودرو حدود ۷۵ درصد از انرژی سوخت را هدر می‌دهد. با آن‌که کل انرژی ورودی برابر با کل انرژی خروجی است، اما مقدار زیادی انرژی به‌صورت گرما تلف می‌شود، به‌نحوی که موتور فقط در حدود ۲۵درصد بازده دارد. سوختنِ آمیزه‌ای از بنزین ـ هوا انرژی گرمایی و جنبشی تولید می‌کند. همۀ اشکال انرژی تمایل دارند به انرژی گرمایی تبدیل شوند، از این‌رو نمی‌توان آن را به راحتی به سایر اشکال مفید انرژی تبدیل کرد.

انتقال گرما. اختلاف دما بین دو جسم یا تماس گرمایی به انتقال انرژی به‌شکل گرما می‌انجامد. گرما انرژی انتقال‌یافته به‌سبب اختلاف دماست و بر اثر حرکت ذراتی که انرژی جنبشی دارند، از طریق رسانایی، همرفتی، و تابش انتقال می‌یابد. رسانایی عبارت است از جابه‌جایی گرما از درون مادۀ جامد به‌سبب حرکت الکترون‌های آزاد. مثلاً، انرژی گرمایی در خانه از طریق رسانایی و از دیوارها و پنجره‌ها هدر می‌رود. انتقال انرژی از طریق همرفتی به‌سبب حرکت ذرات سیال است. همۀ اجسام به‌شکل تابشِ امواج الکترومغناطیس گرما ساطع می‌کنند. اجسام داغ‌تر انرژی بیشتری از اجسام سرد گسیل می‌کنند. روش‌های کاهش انتقال انرژی گرمایی با استفاده از عایق‌ها به این دلیل مهم است که ذخایر سوخت جهان محدود است و گرم‌کردن خانه مستلزم هزینۀ زیادی است. انتقال گرما از خانه‌ها و اتلاف آن را از راه‌های گوناگون کاهش می‌دهند. مثلاً، عایق‌کردن فضای زیرشیروانی، عایق‌کردن فضای خالی درون دیوارها، و به‌کار بردن شیشه‌های دوجداره راه‌های کاهش اتلاف گرمایند. بازدۀ مواد عایق‌کاری در ساختمان‌سازی، با توجه به اندازۀ خواص گرماـ رسانایی آن‌ها صورت می‌گیرد و با عدد u نمایش داده می‌شود. مقدار کم عدد u نشان‌دهندۀ برتری مواد عایق‌کاری است.

جرم و انرژی اکنون. معلوم شده است که جرم را می‌توان در شرایط معینی طبق نظریۀ نسبیت اینشتین به انرژی تبدیل کرد. این گونه تبدیل جرم به انرژی اساس نیروی اتمی است. نظریۀ نسبیت خاص اینشتین (۱۹۰۵) هرگونه انرژی تبادل شده (E) را با رابطه E = mc^۲ به تبدیل جرم (m) ربط می‌دهد. در این رابطه، c سرعت نور است. تبدیل جرم به‌ انرژی برمبنای این معادله، هرچند فقط برای واکنش‌های هسته‌ای با درصد تغییر جرم بزرگ و مشخص به‌کار می‌رود، کاربرد عام دارد.

 

---