تبدیل انرژی: رقص جاودانهی طبیعت
انرژی چیست و چرا شکل عوض میکند؟
انرژی را میتوان توانایی انجام کار تعریف کرد. هرگاه جسمی حرکت میکند، گرم میشود، نور میدهد یا صدایی تولید میکند، در حال مصرف یا انتقال انرژی است. اما انرژی به یک شکل باقی نمیماند؛ به طور مداوم در حال تغییر از یک نوع به نوع دیگر است. این فرآیند را تبدیل انرژی مینامیم. علت این تغییر شکل، نیاز ما و طبیعت به استفاده از انرژی در شرایط مختلف است. برای مثال، انرژی ذخیره شده در باتری یک اسباببازی به تنهایی مفید نیست، اما وقتی به انرژی جنبشی[2] (حرکتی) تبدیل شود، اسباببازی را به حرکت درمیآورد.
انواع اصلی انرژی و چگونگی تبدیل آنها
برای درک بهتر تبدیل انرژی، ابتدا باید با انواع رایج آن آشنا شویم. هر نوع انرژی را میتوان به نوع دیگری تبدیل کرد. جدول زیر برخی از مهمترین انواع انرژی و مثالهایی از تبدیل آنها را نشان میدهد:
| نوع انرژی | تعریف ساده | مثال تبدیل | وسیله/پدیده |
|---|---|---|---|
| جنبشی[2] | انرژی ناشی از حرکت یک جسم. | جنبشی ➔ الکتریکی | ژنراتور دوچرخه (دینام) |
| پتانسیل گرانشی[3] | انرژی ذخیره شده در یک جسم به دلیل ارتفاع آن. | پتانسیل ➔ جنبشی | سقوط یک توپ از بالای برج |
| الکتریکی[4] | انرژی مرتبط با جریان الکترونها در یک مدار. | الکتریکی ➔ نورانی + گرمایی | لامپ رشتهای |
| شیمیایی[5] | انرژی ذخیره شده در پیوندهای بین اتمها و مولکولها. | شیمیایی ➔ گرمایی + نوری | سوختن چوب در آتش |
| گرمایی[6] | انرژی ناشی از حرکت و ارتعاش ذرات یک ماده. | گرمایی ➔ جنبشی | بخار آب، توربین بخار |
یک مثال گامبهگام: نیروگاه برق آبی. آب پشت یک سد، به دلیل ارتفاعش انرژی پتانسیل گرانشی زیادی دارد. با رهاسازی آب، این انرژی به انرژی جنبشی (آب با سرعت جریان مییابد) تبدیل میشود. آب به توربینها برخورد کرده و آنها را میچرخاند. این مرحله، انرژی جنبشی آب را به انرژی جنبشی در توربین تبدیل میکند. توربین به یک ژنراتور[7] متصل است که در نهایت انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. انرژی الکتریکی از طریق سیمها به خانههای ما میآید و در لامپ دوباره به انرژی نورانی و گرمایی تبدیل میشود.
مبدلهای انرژی: قهرمانان ناشناختهی فناوری
تبدیل انرژی به خودی خود رخ نمیدهد. این کار توسط وسایل خاصی به نام مبدلهای انرژی[8] انجام میشود. هر وسیلهای که یک شکل انرژی را بگیرد و شکل دیگری تحویل دهد، یک مبدل انرژی است. برخی از آنها انرژی را ذخیره نیز میکنند.
| مبدل انرژی | تبدیل ورودی به خروجی | کاربرد |
|---|---|---|
| باتری | شیمیایی ➔ الکتریکی | تلفن همراه، اسباببازی |
| موتور الکتریکی | الکتریکی ➔ جنبشی | پنکه، آبمیوهگیری |
| سلول خورشیدی | نورانی (خورشید) ➔ الکتریکی | ماشین حساب، پنلهای خورشیدی |
| میکروفون | صوتی ➔ الکتریکی | ضبط صدا، تلفن |
| لولهی گرمایی (رادیاتور) | گرمایی آب ➔ گرمایی هوا | گرمایش خانه |
تبدیل انرژی در بدن من و تو
تبدیل انرژی فقط در ماشینها رخ نمیدهد. بدن انسان یک نیروگاه پیچیدهی تبدیل انرژی است. غذایی که میخوریم (مانند نان و میوه) حاوی انرژی شیمیایی است. در فرآیند هضم و تنفس سلولی، این انرژی شیمیایی به شکل قابل استفادهای به نام ATP[9] تبدیل میشود. سپس سلولهای ماهیچهای ما این ATP را میشکنند و انرژی آن را به انرژی جنبشی تبدیل میکنند تا ما بتوانیم راه برویم، بدویم یا حتی پلک بزنیم. بخشی از این انرژی نیز به صورت گرمایی آزاد میشود که دمای بدن ما را ثابت نگه میدارد. پس دفعهی بعد که یک لیوان شیر میخورید، به این فکر کنید که در حال سوختگیری برای ماشین تبدیلکنندهی انرژی بدن خود هستید!
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1] قانون پایستگی انرژی (Law of Conservation of Energy): یکی از قوانین بنیادی فیزیک که بیان میدارد در یک سیستم ایزوله، کل انرژی ثابت میماند.
[2] انرژی جنبشی (Kinetic Energy): انرژی ناشی از حرکت. مقدار آن با جرم و مجذور سرعت جسم رابطه دارد: $KE = \frac{1}{2}mv^2$.
[3] انرژی پتانسیل گرانشی (Gravitational Potential Energy): انرژی ذخیره شده در یک جسم به دلیل موقعیت آن در میدان گرانش. $GPE = mgh$.
[4] انرژی الکتریکی (Electrical Energy): انرژی مرتبط با حرکت بارهای الکتریکی.
[5] انرژی شیمیایی (Chemical Energy): انرژی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی مواد که در واکنشهای شیمیایی آزاد یا جذب میشود.
[6] انرژی گرمایی (Thermal Energy): انرژی درونی یک جسم ناشی از حرکت و ارتعاش ذرات آن.
[7] ژنراتور (Generator): وسیلهای که انرژی مکانیکی (جنبشی) را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
[8] مبدلهای انرژی (Energy Converters/Transducers): دستگاههایی که یک شکل انرژی را به شکل دیگر تبدیل میکنند.
[9] ATP (Adenosine Triphosphate): آدنوزین تریفسفات، مولکولی که حامل انرژی درون سلولهای تمام موجودات زنده است.
[10] قانون دوم ترمودینامیک (Second Law of Thermodynamics): قانونی که جهت فرآیندهای طبیعی و افزایش آنتروپی (بینظمی) را توصیف میکند و تبدیل کامل گرما به کار را غیرممکن میداند.
