پایستگی انرژی: قانونی که جهان بر آن استوار است
انرژی چیست و چه شکلی دارد؟
در ساده‌ترین تعریف، انرژی توانایی انجام کار۵ است. هرگاه جسمی را جابه‌جا می‌کنید، نوری تولید می‌شود یا موتوری می‌چرخد، انرژی در حال انجام کار است. انرژی شکل‌های بسیار گوناگونی دارد که برخی از مهم‌ترین آن‌ها در جدول زیر آمده است:
| نوع انرژی | توضیح | مثال |
|---|---|---|
| جنبشی | انرژی ناشی از حرکت یک جسم | توپ در حال حرکت، باد |
| پتانسیل گرانشی | انرژی ذخیره شده در یک جسم به دلیل ارتفاع آن | سنگ در لبه‌ی یک صخره، آب پشت سد |
| شیمیایی | انرژی ذخیره شده در پیوندهای بین اتم‌ها و مولکول‌ها | غذا، باتری، سوخت |
| نورانی | انرژی‌ای که به صورت نور حرکت می‌کند | نور خورشید، نور لامپ |
| الکتریکی | انرژی ناشی از حرکت بارهای الکتریکی | جریان برق در سیم‌ها |
مثلاً وقتی شما یک فنر را فشرده می‌کنید، انرژی از ماهیچه‌های شما به فنر منتقل شده و به صورت انرژی پتانسیل کشسانی در آن ذخیره می‌شود. وقتی فنر را رها کنید، این انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل شده و فنر به حرکت درمی‌آید.
بیانیه‌ی قانون پایستگی انرژی
قانون پایستگی انرژی می‌گوید: انرژی نمی‌تواند خلق شود یا نابود گردد؛ تنها می‌تواند از یک شکل به شکل دیگر تبدیل شود. این یک قانون بنیادی در فیزیک است و تاکنون هیچ استثنایی برای آن مشاهده نشده است.
اگر یک سیستم بسته را در نظر بگیریم (یعنی سیستمی که انرژی با محیط اطرافش مبادله نمی‌کند)، کل انرژی درون آن سیستم برای همیشه ثابت می‌ماند. این را می‌توان به صورت ریاضی نشان داد:
یک مثال کلاسیک، آونگ ساده است. وقتی وزنه‌ی آونگ را به یک سمت می‌کشید و رها می‌کنید، در بالاترین نقطه‌ی مسیر خود، سرعتش صفر است و بنابراین تمام انرژی آن به صورت انرژی پتانسیل گرانشی است. وقتی وزنه به پایین‌ترین نقطه‌ی مسیرش میرسد، ارتفاعش حداقل است اما سرعتش حداکثر است؛ بنابراین انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل شده است. در طول این نوسان، مجموع این دو انرژی (به اضافه‌ی مقادیر بسیار کوچکی از انرژی‌های دیگر مانند اصطکاک) همواره ثابت می‌ماند.
تبدیل انرژی: موتور حیات جهان
جهان ما یک صحنه‌ی بزرگ از تبدیل‌های پیوسته‌ی انرژی است. تقریباً هر پدیده‌ای که مشاهده می‌کنیم، نمونه‌ای از این تبدیل است.
| پدیده | تبدیل انرژی |
|---|---|
| فتوسنتز در گیاهان | نورانی → شیمیایی |
| شارژ کردن تلفن همراه | الکتریکی → شیمیایی |
| روشن کردن لامپ | الکتریکی → نورانی و گرمایی |
| سقوط یک سیب از درخت | پتانسیل گرانشی → جنبشی |
نکته‌ی جالب اینجاست که در بسیاری از تبدیل‌ها، بخشی از انرژی به شکل انرژی گرمایی (که معمولاً به عنوان "اتلاف" شناخته می‌شود) درمی‌آید. مثلاً وقتی با دو دست خود را به هم می‌مالید، انرژی جنبشی دست‌های شما به انرژی گرمایی تبدیل شده و دست‌تان گرم می‌شود. این انرژی گرمایی از بین نرفته است، بلکه در محیط پخش شده است.
پایستگی انرژی در خدمت بشر
بشر از درک این قانون، برای ساخت دستگاه‌ها و فناوری‌های بی‌شماری استفاده کرده است. تمام نیروگاه‌ها در واقع مبدل‌های انرژی هستند:
- نیروگاه برق آبی: انرژی پتانسیل گرانشی آب پشت سد → انرژی جنبشی آب در حال حرکت → انرژی جنبشی توربین → انرژی الکتریکی.
- نیروگاه خورشیدی: انرژی نورانی خورشید → انرژی الکتریکی.
- خودروهای هیبریدی: هنگام ترمزگیری، انرژی جنبشی خودرو که قرار است به گرما تبدیل شده و تلف شود، بازیابی شده و به انرژی الکتریکی برای شارژ باتری تبدیل می‌شود. این یک کاربرد هوشمندانه از قانون پایستگی انرژی است.
حتی بدن شما نیز از این قانون پیروی می‌کند. غذایی که می‌خورید حاوی انرژی شیمیایی است. بدن شما این انرژی را می‌گیرد و آن را به انرژی جنبشی (برای حرکت)، انرژی گرمایی (برای حفظ دمای بدن) و انرژی شیمیایی (برای ذخیره‌ی چربی) تبدیل می‌کند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. انرژی باتری نابود نشده است. انرژی شیمیایی ذخیره شده در باتری صرف انجام کار (چرخاندن موتور، تولید نور و صدا) شده و در این فرآیند، بخش عمده‌ای از آن به صورت انرژی گرمایی در محیط پخش شده است. اگر بتوانید تمام گرمای تولید شده و انرژی خروجی از اسباب‌بازی را اندازه‌گیری کنید، متوجه خواهید شد که مجموع آن‌ها دقیقاً برابر با انرژی اولیه‌ی ذخیره شده در باتری است.
پاسخ: عبارت "تولید انرژی" در واقع یک عبارت نادرست رایج است. نیروگاه‌ها انرژی را "تولید" نمی‌کنند، بلکه آن را از یک شکل (مانند شیمیایی در سوخت‌های فسیلی، یا پتانسیل در آب) به شکل مفیدتری برای ما، یعنی انرژی الکتریکی، تبدیل می‌کنند. منبع اولیه‌ی این انرژی، خورشید یا منابع زمین‌گرمایی است.
پاسخ: انیشتین نشان داد که جرم و انرژی در واقع دو روی یک سکه هستند و می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. این رابطه با معادله‌ی مشهور $ E = m c^{2} $ بیان می‌شود. در واکنش‌های هسته‌ای (مانند آنچه در خورشید رخ می‌دهد)، مقدار کمی جرم به مقدار عظیمی انرژی تبدیل می‌شود. در این حالت، قانون پایستگی به صورت "پایستگی جرم-انرژی" درمی‌آید، یعنی مجموع جرم و انرژی در یک سیستم بسته ثابت است.
پاورقی
۱ Conservation of Energy
۲ Kinetic Energy
۳ Potential Energy
۴ Energy Transformation
۵ Work
