انرژی چیست؟ تعریف، انواع انرژی و قانون پایستگی با مثال
انرژی توانایی انجام کار است؛ یعنی هر چیزی که بتواند جسمی را جابه‌جا کند، گرم کند یا تغییری در آن پدید آورد انرژی دارد. یکای انرژی در دستگاه بین‌المللی «ژول» (J) است. انرژی از بین نمی‌رود و به وجود نمی‌آید، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود.
تعریف به زبان ساده
برای دویدن، روشن‌شدن لامپ، حرکت خودرو و رشد گیاه به انرژی نیاز است. خودِ انرژی دیده نمی‌شود، اما اثرش را می‌بینیم: حرکت، گرما، نور و صدا.
در فیزیک وقتی نیرویی جسمی را جابه‌جا کند می‌گوییم کار انجام شده است. انرژی همان «اندوختهٔ کار» است: جسمی که ۱۰۰ ژول انرژی دارد می‌تواند حداکثر ۱۰۰ ژول کار انجام دهد. یک ژول تقریباً انرژی لازم برای بالابردن یک سیب صد گرمی به اندازهٔ یک متر است.
انواع انرژی
انرژی دو شکل کلی دارد: جنبشی (انرژی حرکت) و پتانسیل (انرژی ذخیره‌شده). بقیهٔ شکل‌ها گونه‌هایی از همین دو هستند.
| نوع | توضیح | مثال |
|---|---|---|
| جنبشی | انرژی جسم در حال حرکت | خودروی در حال حرکت، باد، آب جاری |
| پتانسیل گرانشی | به‌دلیل ارتفاع از سطح زمین | آب پشت سد، کتاب روی قفسه |
| پتانسیل کشسانی | در جسم کشیده یا فشرده | فنر فشرده، کش کشیده، کمان |
| شیمیایی | ذخیره در پیوندهای مواد | غذا، بنزین، باتری |
| گرمایی | جنبش ذره‌های سازندهٔ ماده | آب جوش، بخاری |
| الکتریکی | حرکت بارهای الکتریکی | برق شهر |
| نورانی (تابشی) | امواج الکترومغناطیسی | نور خورشید، لیزر |
| صوتی | ارتعاش ذره‌های محیط | صدای بلندگو |
| هسته‌ای | ذخیره در هستهٔ اتم | نیروگاه هسته‌ای، خورشید |
مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل یک جسم را انرژی مکانیکی می‌نامند.
فرمول‌های اصلی
| کمیت | فرمول | یکا |
|---|---|---|
| کار | W = F × d | ژول (J) |
| انرژی جنبشی | K = ½ m v² | ژول |
| انرژی پتانسیل گرانشی | U = m g h | ژول |
| توان | P = E ÷ t | وات (W) |
در این فرمول‌ها m جرم (کیلوگرم)، v تندی (متر بر ثانیه)، h ارتفاع (متر)، g شتاب گرانش (حدود ۹٫۸ و در حل ساده ۱۰ نیوتون بر کیلوگرم)، F نیرو (نیوتون)، d جابه‌جایی در راستای نیرو (متر) و t زمان (ثانیه) است.
یکاهای رایج دیگر:
- کیلووات‌ساعت (kWh): یکای قبض برق؛ هر کیلووات‌ساعت ۳٬۶۰۰٬۰۰۰ ژول است.
- کالری غذایی (کیلوکالری): هر کیلوکالری حدود ۴۱۸۴ ژول است.
تبدیل انرژی و قانون پایستگی
قانون پایستگی انرژی: انرژی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود؛ فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل یا از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود.
| وسیله | تبدیل انرژی |
|---|---|
| لامپ | الکتریکی ← نورانی + گرمایی |
| موتور خودرو | شیمیایی ← گرمایی ← جنبشی |
| سلول خورشیدی | نورانی ← الکتریکی |
| نیروگاه برق‌آبی | پتانسیل گرانشی ← جنبشی ← الکتریکی |
| بدن انسان | شیمیایی (غذا) ← جنبشی + گرمایی |
| بلندگو | الکتریکی ← صوتی |
در هر تبدیل، بخشی از انرژی به گرمای ناخواسته تبدیل می‌شود. این انرژی نابود نشده، ولی دیگر به کار نمی‌آید؛ به همین دلیل هیچ دستگاهی بازده صددرصد ندارد.
بازده = (انرژی مفید خروجی ÷ انرژی ورودی) × ۱۰۰
منابع انرژی
- تجدیدناپذیر: نفت، گاز، زغال‌سنگ (سوخت‌های فسیلی) و اورانیوم. تمام‌شدنی‌اند و سوخت‌های فسیلی هوا را آلوده می‌کنند.
- تجدیدپذیر: خورشید، باد، آب جاری، زمین‌گرمایی و زیست‌توده. پیوسته جایگزین می‌شوند.
سرچشمهٔ بیشتر انرژی‌های روی زمین خورشید است: گیاهان با فتوسنتز انرژی نورانی را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند و سوخت‌های فسیلی هم بازماندهٔ جانداران قدیمی‌اند.
مثال‌های حل‌شده
۱. انرژی جنبشی توپی به جرم ۲ کیلوگرم با تندی ۳ متر بر ثانیه؟ K = ½ × ۲ × ۳² = ۹ ژول
۲. انرژی پتانسیل کتابی ۱ کیلوگرمی روی قفسه‌ای به ارتفاع ۲ متر؟ (g = ۱۰) U = ۱ × ۱۰ × ۲ = ۲۰ ژول
۳. با نیروی ۵۰ نیوتون جعبه‌ای را ۴ متر هل می‌دهیم. کار انجام‌شده؟ W = ۵۰ × ۴ = ۲۰۰ ژول
۴. لامپ ۱۰ واتی در ۵ ساعت چقدر انرژی مصرف می‌کند؟ E = P × t = ۱۰ وات × ۵ ساعت = ۵۰ وات‌ساعت = ۰٫۰۵ کیلووات‌ساعت (۱۸۰٬۰۰۰ ژول)
۵. اگر تندی خودرویی دو برابر شود، انرژی جنبشی‌اش چند برابر می‌شود؟ چون تندی به توان دو می‌رسد، انرژی جنبشی چهار برابر می‌شود. به همین دلیل ترمزگرفتن در سرعت بالا بسیار سخت‌تر است.
۶. موتوری ۲۰۰ ژول انرژی می‌گیرد و ۵۰ ژول کار مفید می‌دهد. بازده؟ (۵۰ ÷ ۲۰۰) × ۱۰۰ = ۲۵ درصد
اشتباه‌های رایج
- «انرژی مصرف می‌شود و تمام می‌شود.» انرژی تبدیل می‌شود؛ آنچه «مصرف» می‌نامیم تبدیل به شکلی کم‌فایده (معمولاً گرما) است.
- یکی دانستن انرژی و نیرو. نیرو هل‌دادن یا کشیدن است (نیوتون)؛ انرژی توانایی انجام کار (ژول).
- یکی دانستن انرژی و توان. توان آهنگ مصرف انرژی است. لامپ ۱۰۰ واتی در هر ثانیه ۱۰۰ ژول مصرف می‌کند.
- جسم ساکن انرژی ندارد. ممکن است انرژی پتانسیل، شیمیایی یا گرمایی داشته باشد.
- کیلووات‌ساعت یکای توان است. خیر؛ کیلووات یکای توان و کیلووات‌ساعت یکای انرژی است.
تمرین
- انرژی جنبشی دونده‌ای ۶۰ کیلوگرمی با تندی ۵ متر بر ثانیه چقدر است؟
- آبی به جرم ۱۰۰ کیلوگرم در ارتفاع ۲۰ متری چه انرژی پتانسیلی دارد؟ (g = ۱۰)
- در اتوی برقی چه تبدیلی رخ می‌دهد؟
- بخاری ۲۰۰۰ واتی در ۳ ساعت چند کیلووات‌ساعت مصرف می‌کند؟
- سه منبع تجدیدپذیر نام ببرید.
پاسخ کوتاه: ۱) ۷۵۰ ژول. ۲) ۲۰٬۰۰۰ ژول. ۳) الکتریکی به گرمایی. ۴) ۶ کیلووات‌ساعت. ۵) خورشید، باد، آب جاری.
پرسش‌های متداول
انرژی به زبان ساده یعنی چه؟
توانایی انجام کار یا ایجاد تغییر؛ هر جا حرکت، گرما، نور یا صدا هست، انرژی در کار است.
یکای انرژی چیست؟
ژول (J). در قبض برق کیلووات‌ساعت و در تغذیه کیلوکالری هم به کار می‌رود.
قانون پایستگی انرژی چه می‌گوید؟
مقدار کل انرژی ثابت می‌ماند؛ انرژی نه ساخته می‌شود نه نابود، فقط تبدیل یا منتقل می‌شود.
فرق انرژی جنبشی و پتانسیل چیست؟
انرژی جنبشی مربوط به حرکت جسم است و انرژی پتانسیل به‌دلیل وضعیت یا مکان جسم در آن ذخیره شده است.
چرا هیچ دستگاهی بازده صددرصد ندارد؟
چون در هر تبدیل بخشی از انرژی به‌صورت گرما (بر اثر اصطکاک و مقاومت) هدر می‌رود.
جمع‌بندی
انرژی توانایی انجام کار است و با ژول سنجیده می‌شود. به شکل‌های جنبشی، پتانسیل، گرمایی، شیمیایی، الکتریکی، نورانی، صوتی و هسته‌ای دیده می‌شود و پیوسته از شکلی به شکل دیگر درمی‌آید، بی‌آنکه مقدار کل آن تغییر کند. برای حل مسئله‌ها سه فرمول کار، انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل گرانشی و تفاوت انرژی با توان را به خاطر بسپارید.
نظرهای مخاطبان
هنوز نظری ثبت نشده است. اگر دربارهٔ این صفحه چیزی می‌دانید — یک اصلاح، یک تجربه یا نکته‌ای محلی — اولین نفر باشید.
نوشتن نظر