اشکال انرژی

اشکال انرژی: سوخت زندگی روزمره ما

انرژی چیست و چرا مهم است؟

انرژی را می‌توان به ساده‌ترین شکل، توانایی انجام کار تعریف کرد. هر زمان شما یک توپ را پرتاب می‌کنید، چراغی را روشن می‌کنید یا حتی نفس می‌کشید، در حال استفاده از انرژی هستید. بدون انرژی، هیچ حرکتی، هیچ نوری و هیچ حیاتی وجود نخواهد داشت. یک مثال ساده: برای حرکت دادن یک ماشین اسباب‌بازی، باید به آن انرژی وارد کنید. این انرژی می‌تواند از عضلات دست شما (انرژی مکانیکی) یا از یک باتری (انرژی شیمیایی ذخیره‌شده) تأمین شود.

یک قانون بسیار مهم در فیزیک به نام قانون پایستگی انرژی وجود دارد. این قانون می‌گوید: «انرژی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود، بلکه فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود.» برای مثال، وقتی یک چراغ قوه روشن می‌کنید، انرژی شیمیایی موجود در باتری به انرژی نورانی و انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

انواع اصلی انرژی: یک نگاه کلی

انرژی را می‌توان به دو دستهٔ بزرگ تقسیم‌بندی کرد: انرژی پتانسیل (ذخیره‌شده) و انرژی جنبشی (انرژی مرتبط با حرکت).

انرژی پتانسیل انرژیِ ذخیره‌شده در یک جسم به دلیل موقعیت یا وضعیت آن است. مانند فنری که فشرده شده یا آبی که پشت یک سد جمع شده است. انواع رایج آن عبارتند از:

• انرژی پتانسیل گرانشی: انرژی ذخیره‌شده در یک جسم به دلیل ارتفاع آن از سطح زمین. هرچه جسم بالاتر باشد، انرژی پتانسیل گرانشی بیشتری دارد. فرمول آن $ U = mgh $ است که در آن m جرم جسم، g شتاب گرانش و h ارتفاع است.
• انرژی پتانسیل کشسانی: انرژی ذخیره‌شده در یک جسم کشسان (مانند فنر یا کش) وقتی که کشیده یا فشرده می‌شود.
• انرژی شیمیایی: انرژی ذخیره‌شده در پیوند بین اتم‌ها و مولکول‌ها. این انرژی در غذا، باتری‌ها و سوخت‌هایی مثل بنزین و چوب وجود دارد.

انرژی جنبشی انرژی‌ای است که یک جسم به دلیل حرکت خود دارد. هرچه جسم سریع‌تر حرکت کند یا جرم بیشتری داشته باشد، انرژی جنبشی آن بیشتر است. فرمول آن $ K = \frac{1}{2}mv^2 $ است. یک دوچرخه‌سوار در حال حرکت، یک توپ پرتاب‌شده و مولکول‌های در حال حرکت در یک گاز داغ همگی دارای انرژی جنبشی هستند.

انرژی مکانیکی، گرمایی و تابشی

این اشکال انرژی را به کرات در زندگی روزمره مشاهده می‌کنیم.

انرژی مکانیکی مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی یک جسم است. وقتی شما روی یک تاب نشسته‌اید و تاب می‌خورد، در بالاترین نقطهٔ خود بیشترین انرژی پتانسیل گرانشی و کمترین انرژی جنبشی را دارد. در پایین‌ترین نقطه، این وضعیت برعکس است و انرژی جنبشی به حداکثر و انرژی پتانسیل به حداقل خود می‌رسد. اما مجموع این دو (انرژی مکانیکی)، در یک سیستم ایده‌آل بدون اصطکاک، همواره ثابت می‌ماند.

انرژی گرمایی انرژی‌ای است که با دمای یک جسم مرتبط است. این انرژی ناشی از حرکت و لرزش بسیار سریع اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل‌دهندهٔ یک جسم است. هرچه این ذرات سریع‌تر حرکت کنند، دمای جسم بالاتر رفته و انرژی گرمایی بیشتری دارد. وقتی یک قاشق سرد را داخل یک فنجان چای داغ قرار می‌دهید، انرژی گرمایی از چای (جسم گرم‌تر) به قاشق (جسم سردتر) منتقل می‌شود تا زمانی که هر دو به یک دما برسند.

انرژی تابشی یا انرژی الکترومغناطیسی، انرژی‌ای است که توسط امواج سفر می‌کند. این امواج برای حرکت به یک محیط مادی (مانند هوا یا آب) نیاز ندارند و حتی در خلا نیز حرکت می‌کنند. نور مرئی که به چشم ما می‌رسد، امواج مایکروویو که غذا را گرم می‌کنند، و امواج رادیویی که برای پخش برنامه‌ها استفاده می‌شوند، همگی شکل‌هایی از انرژی تابشی هستند. خورشید بزرگترین منبع انرژی تابشی برای سیارهٔ زمین است.

انرژی الکتریکی، شیمیایی و هسته‌ای

این اشکال انرژی اغلب برای ذخیره‌سازی و استفادهٔ آسان، به یکدیگر تبدیل می‌شوند.

انرژی الکتریکی به حرکت بارهای الکتریکی (معمولاً الکترون‌ها) در یک رسانا مانند سیم مسی گفته می‌شود. این شکل از انرژی بسیار همه‌گیر است زیرا به راحتی می‌توان آن را به فواصل دور انتقال داد و به سایر اشکال انرژی مانند نور (در لامپ)، گرما (در بخاری برقی) یا حرکت (در موتور الکتریکی) تبدیل کرد.

انرژی شیمیایی احتمالاً یکی از آشناترین اشکال انرژی است. این انرژی در پیوندهای بین اتم‌ها ذخیره می‌شود و هنگام شکسته شدن یا تشکیل این پیوندهای آزاد یا جذب می‌شود. وقتی شما غذا می‌خورید، بدن شما انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در غذا را طی فرآیندی به نام متابولیسم آزاد می‌کند تا از آن برای رشد، حرکت و گرم نگه داشتن بدن استفاده کند. به همین ترتیب، سوختن چوب در آتش نیز انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در چوب را به انرژی گرمایی و نورانی تبدیل می‌کند.

انرژی هسته‌ای قدرتمندترین شکل انرژی است که در هستهٔ اتم‌ها (مرکز اتم) ذخیره شده است. این انرژی می‌تواند از دو طریق آزاد شود: شکافت هسته‌ای (شکستن هسته‌های بزرگ به هسته‌های کوچکتر) که در نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌شود، و گداخت هسته‌ای (ادغام هسته‌های کوچک برای تشکیل هسته‌های بزرگتر) که همان فرآیندی است که در خورشید رخ می‌دهد و نور و گرمای آن را تولید می‌کند.

تبدیل انرژی: از یک شکل به شکل دیگر

همهٔ دستگاه‌های اطراف ما در حال تبدیل انرژی هستند. این تبدیل‌ها همیشه کامل و ۱۰۰٪ کارآمد نیستند و معمولاً مقداری از انرژی به شکل نامطلوب (اغلب گرما) تلف می‌شود.

در یک لامپ رشتهای قدیمی، تنها حدود 5% از انرژی الکتریکی به نور (انرژی تابشی) تبدیل می‌شود و 95% باقیمانده به گرما تبدیل می‌شود که یک اتلاف انرژی محسوب می‌شود. اما در یک لامپ LED مدرن، این راندمان بسیار بالاتر است و انرژی الکتریکی بیشتری به نور تبدیل می‌شود و گرمای کمتری تولید می‌کند.

در یک نیروگاه برق آبی، انرژی پتانسیل گرانشی آب پشت سد ابتدا به انرژی جنبشی (با رها شدن آب) تبدیل می‌شود. سپس این انرژی جنبشی آب، توربین‌ها را می‌چرخاند و به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود. در نهایت، ژنراتور متصل به توربین، این انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که از طریق سیم‌ها به خانه‌های ما فرستاده می‌شود.

کاربرد انرژی در زندگی روزمره و فناوری

همهٔ وسایل الکترونیکی که استفاده می‌کنیم، نمونه‌ای بارز از تبدیل انرژی هستند. هدفون‌های بلوتوث انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در باتری خود را به انرژی الکتریکی و سپس انرژی صوتی (انرژی مکانیکی امواج صوتی) تبدیل می‌کنند تا ما بتوانیم موسیقی بشنویم.

در بدن انسان، یک تبدیل انرژی پیچیده و شگفت‌انگیز دائماً در حال وقوع است. گیاهان نیز در فرآیند فتوسنتز، انرژی تابشی خورشید را گرفته و آن را به انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در پیوندهای مولکول‌های قند (گلوکز) تبدیل می‌کنند. این انرژی شیمیایی پایه و اساس زنجیرهٔ غذایی را تشکیل می‌دهد.

حتی یک عمل ساده مانند پرتاب یک توپ بسکتبال نیز یک زنجیره تبدیل انرژی است: انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در عضلات بازیکن به انرژی مکانیکی (حرکت دست) تبدیل می‌شود. این انرژی مکانیکی به توپ منتقل شده و به عنوان انرژی جنبشی در آن ذخیره می‌شود و توپ را به سمت حلقه به حرکت درمی‌آورد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^[1]ژول (Joule): یکای استاندارد بین‌المللی (SI) برای اندازه‌گیری انرژی و کار. نماد: J. به افتخار فیزیکدان انگلیسی، جیمز پرسکات ژول نامگذاری شده است.

^[2]کیلووات‌ساعت (Kilowatt-hour): یکای رایج برای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی. معادل انرژی مصرف‌شده توسط یک دستگاه با توان ۱۰۰۰ وات (۱ کیلووات) در مدت زمان یک ساعت. نماد: kWh.

متابولیسم (Metabolism): به همهٔ فرآیندهای شیمیایی گفته می‌شود که درون یک ارگانیسم زنده برای حفظ و نگهداری زندگی رخ می‌دهد. این فرآیندها شامل تبدیل انرژی شیمیایی در غذا به انرژی قابل استفاده برای سلول‌ها است.

فتوسنتز (Photosynthesis): فرآیندی که در آن گیاهان، برخی باکتری‌ها و جلبک‌ها از انرژی نور خورشید برای تبدیل دی‌اکسید کربن و آب به گلوکز (قند) و اکسیژن استفاده می‌کنند.