خط مهندسی
مجله ی آنلاین مهندسی

انرژی واقعاً چیست؟

15 79,095

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 مکانیک است. 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.

به بیان دیگر، مقدار انرژی همواره ثابت است. ولی ممکن است انرژی از نوعی به نوع دیگر و یا از صورتی به صورت دیگر تبدیل شود.

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

هم-ارزی-جرم-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

خواندنی ها

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 :

انرژی-جنبشی

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

15 نظرات
  1. مهدی می گوید

    انرژی گرمایی همان مجموع انرژی جنبشی هست !!!!!

  2. محمدامین محبی می گوید

    چرا انرژی به وجود نمیاد؟

  3. رضا می گوید

    تعاریف ارایه شده برای انرژی ادم رو راضی نمیکنه … بیشتر دلم میخواد بدونم انرژی هم میتونه ذره باشه یا …..

  4. ali می گوید

    انرژی قابلیت انجام کار هست، و نیرو کارساز و عامل حرکت است. در واقع اگر نیرو وارد نشود انرژی پتانسیل به جنبشی تبدیل نخواهد شد و خاصیت از بین میرود. اثر و خاصیت دهی از نیروست. نیرو سرانجام کار است. نیرو انرژی را انتقال میدهد و تصرف بر انرژی دارد. انرژی کارمایه و نیرو کارساز و مقصد است.

  5. ali می گوید

    انرژی، وجود و هستیه. هیچ اسمی جز انرژی نیست. هر سیستمی به اسم انرژیه، هر سیستم دارای انرژی پتانسیل و جنبشی که کار صورت میدهد نقل و انتقالات انرژیست. هر چه میبینید انرژیست. درخت، گل، سنگ، و علت تفاوت ها اختلاف فرکانس انرژیست است. همان طور اگر یک نور سفید را از منشور رد کنیم به علت اختااف فرکانس های موج به رنگ های مختلف در میاید اما در اصل یکیست و نور واحد است.

  6. ali می گوید

    و این خیلی مهم است که کاری را که دارید انجام میدهید چگونه به نتیجه میرسد. چون همیشه در انجام کار پای انرژی و نیرو در میان است. نیرو را یا انرژی پتانسیل اشتباه نگیرید چون نزدیک به هم هستند تقریبا. شما تنها کاری که برای انجام یک کار انجام میدهید خواستن است. باقی را انرژی و نیرو انجام میدهند و شما به مقصد میرسید. نیرو هست که شما را جابه جا میکند. نیرو هست که انرژی را انتقال میدهد و سبب کار میشود. انرژی خالق هر کاریست و نیرو کارساز ان. نیرو و انرژی بهم پیوسته اند و نمیتوان یه راحتی تفاوتشان را درک کرد. مفهومشان را هم نمیتوان درک کرد. انرژی را میتوان دید با نگاه به جهان هستی، اما نیرو قابل درک نیست

  7. ali می گوید

    نیرو هست که دست و پایتان را حرکت میدهد. شما تنها میخواهید و نیرو وارد میشود و انرژی پتانسیل ماهیچه را به انرژی جنبشی تبدیل میکند و کار صورت میگیرد.نیرو مالک انرژیست، نیرو بر انرژی تصرف دارد و کارسازی میکند. انرژی وجود است، انرژی هستی است.انرژی کارمایه و قابیلت انجام هر کاریست و نیرو ان را به فعلیت تبدیل میکند و به سر انجام میرساند. مثلا کبریت و بنزین را در نظر بگیرید، اگر کبریت را به بنزین بزنید و نیرو، انرژی پتانسیل بنزین را به جنبشی تبدیل نکند هیچ اثری رخ نمیدهد و خاصیت از بین میرود. درست است که بنزین و کبریت قابلیت تبدیل شدن به اتش را دارند اما این نیروست که کارسازی میکند و قوه را یه فعلیت تبدیل میکند.

  8. 옠타 می گوید

    عالی بود

  9. گری می گوید

    دلیل اینکه انرژی بوجود نمیاد اینه که از بین نمیره.

  10. علی رضا می گوید

    خواستم راجع به انرژی و ماده (رابطه انرژی ماده بدانم) .

  11. Matin Neyestani می گوید

    سلام ممنونم عالی بود این چیزا رو تو کتابای درسی نمیشه میدا کرد فقط من میخواستم بدونم تو بیگ بنگ پایستگی‌ انرژی‌ چجوری عمل ‌کرده چون طبق این اصل میتونیم بگیم قبل از انفجار بیگ بنگ ماده و انرژی وجود داشتن . ممنون میشم توضیح بدین .
    یکی دیگه اینکه در جواب دوستان توی هم ارزی جرم و انرژی ماده و انرژی دو تا تظاهر فیزیکی از همدیگه هستن اگر میخواید رابطه شون رو بدونین میتونین از فرمول مشهور E=mc^2 کمک بگیرین

  12. Matin Neyestani می گوید

    سلام . عالی بود . لطفا درباره پایستگی انرژی تو بیگ بنگ توضیح بدین و اینکه در جواب دوستان جرم و انرژی دو تا تظاهر فیزیکی از همدیگند و اینکه رابطه شون همون فرمول مشهور E=mc^2 هستش
    واقعا هم دمتون گرم چون تو هیچ منبعی این مفاهیم رو نمیشه پیدا کرد من واقعا ممنون دستتون درد نکنه و خسته نباشید

  13. Arousha می گوید

    قانون پایستگی انرژی رو لطفا توضیح میدید؟
    و همچنین مثال و توضیحی از جمله ی
    )انرژی از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود)
    فقط ، گفته شده *جسمی به جسم* دیگر لطفا شکلی به شکل دیگر نگید??

  14. زهرا می گوید

    بسیار عالی بود. واقعا ممنون به خاطر زحمات و وقتی که گذاشتید?

  15. shahram می گوید

    ازنظررتبه اولین انرژی نوراست که منشاان نوعی اگاهی وهوش می تواندباشد.ایاچنین است؟دراین موردسرعت ومکان وزمان چه نقشی می توانندداشته باشند؟خیلی جالب است.

نظر شما درباره این مطلب

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.