انرژی درونی: موتور پنهان جهان
انرژی درونی چیست؟
همهٔ مواد از ذرات بسیار ریزی به نام اتم و مولکول ساخته شده‌اند. این ذرات به طور دائم در حال حرکت و جنب‌وجوش هستند. انرژی درونی۱ یک جسم، در واقع مجموع کل انرژی‌های مرتبط با این ذرات است. این انرژی از دو بخش اصلی تشکیل شده است:
| عنوان جزء | توضیح | مثال ساده |
|---|---|---|
| انرژی جنبشی۲ ذرات | انرژی ناشی از حرکت ذرات (ارتعاش، چرخش، انتقال) | تکان‌خوردن دانش‌آموزان در حیاط مدرسه |
| انرژی پتانسیل۳ بین ذرات | انرژی ذخیره شده ناشی از نیروها و فاصله‌های بین ذرات | فشرده شدن یا کش آمدن فنر بین مولکول‌ها |
فرمول کلی انرژی درونی ($U$) به صورت زیر است:
که در آن $E_k$ انرژی جنبشی و $E_p$ انرژی پتانسیل ذرات است.
رابطهٔ دما و انرژی درونی
دما معیاری برای اندازه‌گیری متوسط انرژی جنبشی ذرات یک جسم است. وقتی جسمی را گرم می‌کنیم، در واقع به مولکول‌های آن انرژی می‌دهیم تا سریع‌تر حرکت کنند و در نتیجه، انرژی جنبشی و در پی آن، انرژی درونی کل افزایش می‌یابد. یک فنر کوچک را تصور کنید. وقتی فنر سرد است، مولکول‌هایش آرام می‌لرزند. اما اگر آن را حرارت دهیم، این مولکول‌ها با شدت بیشتری می‌لرزند و حتی ممکن است فنر کمی منبسط شود. این افزایش لرزش، همان افزایش انرژی جنبشی و در نتیجه افزایش انرژی درونی است.
این رابطه را می‌توان در جدول زیر به خوبی مشاهده کرد:
| شرایط جسم | سرعت متوسط ذرات | دمای اندازه‌گیری شده | سطح انرژی درونی |
|---|---|---|---|
| یک تکه یخ | خیلی کم | 0 °C | پایین |
| آب در حال جوش | زیاد | 100 °C | بالا |
تغییر حالت ماده و نقش انرژی درونی
وقتی یخ ذوب می‌شود یا آب به بخار تبدیل می‌گردد، در حالی که دما ثابت می‌ماند، انرژی درونی در حال افزایش است. چگونه این امکان دارد؟ پاسخ در بخش انرژی پتانسیل نهفته است. در خلال تغییر حالت (مانند ذوب)، انرژیی که می‌دهیم صرف غلبه بر نیروهای بین مولکولی می‌شود تا مولکول‌ها از هم فاصله بگیرند. این کار انرژی پتانسیل بین مولکول‌ها را به شدت افزایش می‌دهد، در حالی که انرژی جنبشی و در نتیجه دما ثابت می‌ماند. این انرژی ذخیره شده در فاصله‌گیری مولکول‌هاست که باعث افزایش انرژی درونی می‌شود.
کاربردهای انرژی درونی در زندگی روزمره
شاید فکر کنید این مفهوم فقط در کتاب‌های درسی وجود دارد، اما مثال‌های ملموس زیادی از آن در اطراف ما هست:
۱. گرم کردن غذا: وقتی غذا را روی اجاق گاز می‌گذارید، انرژی گرمایی به مولکول‌های غذا منتقل می‌شود. این انتقال انرژی، سرعت حرکت مولکول‌ها (انرژی جنبشی) و همچنین فاصله‌ی بین برخی از آن‌ها (انرژی پتانسیل) را افزایش می‌دهد و در نتیجه انرژی درونی غذا بالا رفته و داغ می‌شود.
۲. تلمبهٔ دوچرخه: وقتی تایر دوچرخه را تلمبه می‌زنید، هوا فشرده می‌شود. این کار انرژی پتانسیل بین مولکول‌های هوا را افزایش می‌دهد زیرا آن‌ها را به هم نزدیک‌تر می‌کنید. علاوه بر این، برخورد بیشتر مولکول‌ها با هم و با دیوارهٔ تایر، باعث افزایش انرژی جنبشی و در نتیجه گرم شدن تلمبه و تایر می‌شود. این افزایش هر دو جزء، به معنی افزایش انرژی درونی هوای داخل تایر است.
۳. یخ‌چال (یخدان) طبیعی: در گذشته، مردم از یخ‌چال‌های سنتی استفاده می‌کردند. دیواره‌های ضخیم این یخ‌چال‌ها انرژی درونی یخ را حفظ می‌کردند و اجازه نمی‌دادند انرژی به راحتی به محیط بیرون منتقل شود. در نتیجه، یخ برای مدت طولانی‌تری ذوب نمی‌شد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. دما فقط نشان‌دهندهٔ متوسط انرژی جنبشی ذرات است، در حالی که انرژی درونی مجموع انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل تمام ذرات است. دو جسم می‌توانند دمای یکسان اما انرژی درونی بسیار متفاوتی داشته باشند. مثلاً یک فنجان آب جوش و یک کتری پر از آب جوش هر دو در 100 °C هستند، اما کتری به دلیل داشتن مولکول‌های بسیار بیشتر، انرژی درونی فوق‌العاده بزرگ‌تری دارد.
خیر. بر اساس فیزیک کوانتوم، حتی در پایین‌ترین دمای ممکن (صفر مطلق، یعنی -273.15 °C)، ذرات هنوز یک انرژی پایه‌ای به نام انرژی نقطهٔ صفر دارند. بنابراین انرژی درونی هیچ‌گاه نمی‌تواند دقیقاً صفر شود.
این قانون که به قانون پایستگی انرژی نیز معروف است، می‌گوید: انرژی خلق یا نابود نمی‌شود، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌گردد. در مورد یک سامانه، تغییر در انرژی درونی ($\Delta U$) برابر است با مجموع گرمای وارد شده به سامانه ($Q$) و کار انجام شده روی آن ($W$).
یعنی برای افزایش انرژی درونی یک جسم، باید یا به آن گرما بدهید ($Q > 0$)، یا روی آن کار انجام دهید ($W > 0$)، مانند فشردن سریع هوا در تلمبه.
پاورقی
۱انرژی درونی (Internal Energy): مجموع کل انرژی‌های جنبشی و پتانسیل ذرات تشکیل‌دهنده یک سامانه.
۲انرژی جنبشی (Kinetic Energy): انرژیای که یک جسم به دلیل حرکت خود دارد.
۳انرژی پتانسیل (Potential Energy): انرژی ذخیره شده در یک جسم به دلیل موقعیت یا پیکربندی آن.
۴قانون اول ترمودینامیک (First Law of Thermodynamics): قانون پایستگی انرژی در سامانه‌های ترمودینامیکی.
